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前言

Linux——网络基础（1）-CSDN博客

Linux——网络（udp）-CSDN博客

1. TCP协议概述：简要介绍TCP协议的基本特性，包括连接建立、数据传输、流量控制、拥塞控制等。

2. Linux网络编程基础：介绍Linux下的Socket编程接口，以及如何使用这些接口进行TCP通信。

3. TCP服务器与客户端的实现：通过实际的代码示例，展示如何编写一个简单的TCP服务器和客户端程序。

4. TCP协议的性能优化：探讨如何通过调整TCP参数、使用非阻塞I/O、多线程/多进程等技术来提升TCP应用的性能。

5. 常见问题与调试技巧：分享一些在实际开发中可能遇到的TCP相关问题，以及如何使用工具进行网络调试和故障排查。

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一、TCP逻辑

1. 面向连接

TCP是一种面向连接的协议，这意味着在数据传输之前，通信双方需要先建立一个连接。连接的建立和关闭是通过三次握手和四次挥手来完成的。

三次握手（建立连接）

1. SYN：客户端向服务器发送一个SYN（同步）报文，表示请求建立连接。

2. SYN-ACK：服务器收到SYN后，回复一个SYN-ACK（同步-确认）报文，表示同意建立连接。

3. ACK：客户端收到SYN-ACK后，发送一个ACK（确认）报文，连接正式建立。

四次挥手（关闭连接）

1. FIN：主动关闭方（客户端或服务器）发送一个FIN（结束）报文，表示希望关闭连接。

2. ACK：被动关闭方收到FIN后，回复一个ACK报文，表示确认收到关闭请求。

3. FIN：被动关闭方完成数据发送后，发送一个FIN报文，表示自己也准备关闭连接。

4. ACK：主动关闭方收到FIN后，回复一个ACK报文，连接正式关闭。

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2. 可靠性

TCP通过以下机制确保数据的可靠传输：

• 序列号与确认机制：每个TCP报文都包含一个序列号（Sequence Number），接收方通过发送确认号（Acknowledgment Number）来确认已收到的数据。如果发送方未收到确认，则会重传数据。

• 超时重传：如果发送方在一定时间内未收到确认，则会重新发送数据。

• 数据校验：TCP使用校验和（Checksum）来检测数据在传输过程中是否损坏。

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3. 流量控制

TCP通过滑动窗口机制实现流量控制，防止发送方发送数据过快导致接收方缓冲区溢出。

• 接收窗口：接收方通过TCP头部中的窗口字段告知发送方自己当前可接收的数据量。

• 动态调整：接收方可以根据自身缓冲区的可用空间动态调整窗口大小。

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4. 拥塞控制

TCP通过拥塞控制算法避免网络拥塞，常见的算法包括：

• 慢启动（Slow Start）：初始时发送方以较小的窗口发送数据，随后指数增长。

• 拥塞避免（Congestion Avoidance）：当窗口达到阈值后，发送方以线性方式增加窗口大小。

• 快速重传（Fast Retransmit）：当发送方收到三个重复的ACK时，立即重传丢失的报文。

• 快速恢复（Fast Recovery）：在快速重传后，发送方进入快速恢复阶段，避免窗口大幅减小。

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5. 基于字节流

TCP是一种基于字节流的协议，这意味着：

• 无消息边界：TCP将数据视为连续的字节流，不保留发送方写入的数据边界。例如，发送方发送两次数据（“Hello”和“World”），接收方可能一次性收到“HelloWorld”。

• 粘包与拆包：由于TCP的字节流特性，接收方需要自己处理数据的边界问题（如通过长度字段或特殊分隔符）。

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6. 全双工通信

TCP支持全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收数据。每个TCP连接由两个独立的流组成：

• 一个流用于从客户端到服务器的数据传输。

• 另一个流用于从服务器到客户端的数据传输。

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7. 状态机

TCP连接的生命周期由一个状态机管理，常见的状态包括：

• LISTEN：服务器等待客户端连接。

• SYN_SENT：客户端已发送SYN，等待服务器响应。

• SYN_RECEIVED：服务器已收到SYN并发送SYN-ACK，等待客户端确认。

• ESTABLISHED：连接已建立，可以传输数据。

• FIN_WAIT_1 / FIN_WAIT_2：主动关闭方等待对方的FIN或ACK。

• CLOSE_WAIT：被动关闭方等待应用程序关闭连接。

• TIME_WAIT：连接关闭后，等待可能出现的延迟报文。

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8. TCP头部结构

TCP头部包含以下关键字段：

• 源端口和目的端口：标识通信的应用程序。

• 序列号和确认号：用于数据排序和确认。

• 标志位：如SYN、ACK、FIN等，用于控制连接状态。

• 窗口大小：用于流量控制。

• 校验和：用于数据完整性校验。

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9. TCP的应用场景

TCP适用于需要可靠传输的场景，例如：

• Web浏览（HTTP/HTTPS）

• 文件传输（FTP）

• 电子邮件（SMTP/POP3/IMAP）

• 远程登录（SSH/Telnet）

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二、编写tcp代码函数

1. Socket 创建与配置

socket()

• 功能：创建一个新的套接字（socket），用于网络通信。

• 原型：

  int socket(int domain, int type, int protocol);

• 参数：

  • domain：协议族，如 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）。

  • type：套接字类型，如 SOCK_STREAM（TCP）或 SOCK_DGRAM（UDP）。

  • protocol：通常为 0，表示默认协议。

• 返回值：成功返回套接字文件描述符，失败返回 -1。

setsockopt()

• 功能：设置套接字选项，如重用地址、调整缓冲区大小等。

• 原型：

  int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

• 常用选项：

  • SO_REUSEADDR：允许重用本地地址。

  • SO_RCVBUF / SO_SNDBUF：调整接收/发送缓冲区大小。

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2. 绑定与监听

bind()

• 功能：将套接字绑定到本地地址和端口。

• 原型：

  int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 参数：

  • sockfd：套接字文件描述符。

  • addr：指向 struct sockaddr 的指针，包含地址和端口信息。

  • addrlen：地址结构体的长度。

listen()

• 功能：将套接字设置为监听模式，等待客户端连接。

• 原型：

  int listen(int sockfd, int backlog);

• 参数：

  • sockfd：套接字文件描述符。

  • backlog：等待连接队列的最大长度。

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3. 连接与接受连接

connect()

• 功能：客户端使用该函数连接到服务器。

• 原型：

  int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 参数：

  • sockfd：套接字文件描述符。

  • addr：指向服务器地址结构体的指针。

  • addrlen：地址结构体的长度。

accept()

• 功能：服务器接受客户端的连接请求，返回一个新的套接字用于通信。

• 原型：

  int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• 参数：

  • sockfd：监听套接字文件描述符。

  • addr：用于存储客户端地址信息。

  • addrlen：地址结构体的长度。

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4. 数据发送与接收

send()

• 功能：通过已连接的套接字发送数据。

• 原型：

  ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

• 参数：

  • sockfd：套接字文件描述符。

  • buf：指向要发送数据的缓冲区。

  • len：数据长度。

  • flags：标志位，通常为 0。

recv()

• 功能：通过已连接的套接字接收数据。

• 原型：

  ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

• 参数：

  • sockfd：套接字文件描述符。

  • buf：指向接收数据的缓冲区。

  • len：缓冲区长度。

  • flags：标志位，通常为 0。

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5. 关闭连接

close()

• 功能：关闭套接字，释放资源。

• 原型：

  int close(int sockfd);

• 参数：

  • sockfd：套接字文件描述符。

shutdown()

• 功能：优雅地关闭连接，可以选择关闭读、写或读写通道。

• 原型：

  int shutdown(int sockfd, int how);

• 参数：

  • sockfd：套接字文件描述符。

  • how：关闭方式，如 SHUT_RD（关闭读）、SHUT_WR（关闭写）、SHUT_RDWR（关闭读写）。

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6. 地址转换与解析

inet_pton()

• 功能：将点分十进制的IP地址转换为二进制格式。

• 原型：

  int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

• 参数：

  • af：地址族，如 AF_INET 或 AF_INET6。

  • src：点分十进制字符串。

  • dst：存储二进制结果的缓冲区。

inet_ntop()

• 功能：将二进制格式的IP地址转换为点分十进制字符串。

• 原型：

  const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
  getaddrinfo()

• 功能：解析主机名和服务名，返回地址信息。

• 原型：

  int getaddrinfo(const char *node, const char *service, const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res);

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7. 错误处理

perror()

• 功能：打印与 errno 相关的错误信息。

• 原型：

  void perror(const char *s);

strerror()

• 功能：将错误码转换为可读的字符串。

• 原型：

  char *strerror(int errnum);

三、基本客服端和服务端

1、服务端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    char *response = "Hello from server";

    // 1. 创建套接字
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("Socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 绑定地址和端口
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有网络接口
    address.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("Bind failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 监听连接
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("Listen failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);

    // 4. 接受客户端连接
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
        perror("Accept failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 5. 读取客户端数据
    int valread = read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("Client says: %s\n", buffer);

    // 6. 发送响应给客户端
    send(new_socket, response, strlen(response), 0);
    printf("Response sent to client\n");

    // 7. 关闭连接
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

2、客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    char *message = "Hello from client";

    // 1. 创建套接字
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("Socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 2. 将IP地址从字符串转换为二进制格式
    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("Invalid address/ Address not supported");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 连接到服务器
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        perror("Connection failed");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 4. 发送数据到服务器
    send(sock, message, strlen(message), 0);
    printf("Message sent to server\n");

    // 5. 接收服务器的响应
    int valread = read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("Server says: %s\n", buffer);

    // 6. 关闭连接
    close(sock);
    return 0;
}

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总结

TCP网络编程是构建高性能、高可靠性网络应用的基础。通过理解TCP协议的工作原理、掌握Linux Socket API的使用方法，并实践编写客户端和服务器程序，我们可以逐步掌握网络编程的核心技能。希望本篇博客能为你的学习之旅提供帮助，期待你在网络编程的世界中探索更多可能性！