Linux TCP 和 UDP 通信

TCP与UDP

TCP与UDP对比

TCP

特点：面向连接、可靠传输、流量控制、拥塞控制、全双工

优点：可靠性（ACK确认、超时重传）、顺序性

缺点：首部开销大（20字节）、连接管理复杂、延迟高

应用场景：HTTP/HTTPS、文件传输（FTP）、邮件（SMTP/IMAP）

UDP

特点：无连接、尽力交付、无重传、无拥塞控制、低开销

优点：传输效率高（8字节首部）、实时性强

缺点：数据可能丢失、乱序

应用场景：视频流（RTP）、DNS查询、在线游戏、VoIP

TCP通信

TCP网络编程流程

服务器流程：

1.创建流式套接字--socket()

2.填充服务器的网络信息结构体--struct sockaddr_in

3.将套接字于服务器的网络信息结构体绑定--bind()

4.将套接字设置成被动监听状态--listen()

5.阻塞等待客户端连接--accept()

6.收发数据—recv()/send()

7.关闭套接字--close()

socket编程

socket函数

socket()函数是网络编程中最基础的一个函数，它的作用就像是在你的程序里“打开一个网络收发室”——创建一个用于网络通信的“端点”，后续通过这个端点发送或接收数据。

头文件：#include <sys/socket.h>

使用 socket 编程必须包含这个头文件，它定义了 socket 相关的类型、常量和函数原型。

函数原型：int socket(int domain, int type, int protocol);

参数：

•domain就是通信域，也可以说是协议族，常见通信域如下：

AF_表示“地址族”，有时也用PF_（协议族），但在 Linux 中两者其实是一样的。

•type表示socket的类型，常用的socekt类型如下：

•protocol表示附加协议无附加协议填0（自动选择默认协议）

在domain和type已经确定的前提下，如果还有多种可选协议，就靠这个参数指定。绝大多数情况下，填 0 表示自动选择默认协议。

返回值：成功返回套接字（文件描述符-非负整数），失败返回-1（并重置错误码）

bind函数

头文件：#include <sys/socket.h>

函数原型：int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数：

•sockfd就是文件描述符（由socket函数返回）

•addr表示地址结构体指针（const struct sockaddr*），指向要绑定给sockfd的协议地址，该结构体根据创建socket时的协议族不同而不同，这里以IPV4为例:

struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; // 地址族 in_port_t sin_port; // 16位端口号 struct in_addr sin_addr; // 32位IP地址 }; struct in_addr { uint32_t s_addr; // 32位IPv4地址 };

•addrlen表示地址的长度

返回值：成功返回0，失败返回-1（并重置错误码）

listen函数

头文件：#include <sys/socket.h>

函数原型：int listen(int sockfd, int backlog);

参数：

•sockfd表示要监听的socket套接字

•backlog表示半连接队列的长度（即socket可以排队的最大连接个数）

返回值：成功返回0，失败返回-1（并重置错误码）

accept函数

头文件：#include <sys/socket.h>

函数原型：int accept(int sockfd, struct sockaddr*addr, socklen_t*addrlen);

参数：

•sockfd表示处于监听状态的socket

•addr用于保存客户端地址的结构体指针，如果不关心客户端的信息，可以传NULL

•addrlen输入时为addr的缓冲区大小，输出时为实际地址长度，如果不关心客户端的信息，可以传NULL

返回值：成功返回新的socket文件描述符（由内核生成，代表着与返回客户端的TCP连接，专用于与客户端通信），失败返回-1（并重置错误码）

connect函数

头文件：#include <sys/socket.h>

函数原型：int connect(int sockfd, const struct sockaddr*addr, socklen_taddrlen);

参数：

•sockfd表示客户端的socket套接字

•addr表示目标服务器的地址结构体

•addrlen地址结构体的长度

返回值：成功返回0，失败返回-1（并重置错误码）

recv函数

头文件：#include <sys/socket.h>

函数原型：ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_tlen, int flags);

参数：

•sockfd表示客户端的socket套接字

•buf用于存储接收的数据

•len数据大小

•flags控制选项（如MSG_DONTWAIT非阻塞，MSG_PEEK窥视数据，0阻塞）

返回值：成功返回实际接收数据字节数，失败返回-1（并重置错误码）

send函数

头文件：#include <sys/socket.h>

函数原型：ssize_tsend(int sockfd, const void *buf, size_tlen, int flags);

参数：

•sockfd表示客户端的socket套接字

•buf要发送的数据首地址

•len数据大小

•flags控制选项（如MSG_DONTWAIT非阻塞，MSG_PEEK窥视数据，0阻塞）

返回值：成功返回实际发送数据字节数，失败返回-1（并重置错误码）

close函数

头文件：#include <unistd.h>

函数原型：int close(int fd);

参数：

•fd表示要关闭的套接字

返回值：成功返回0，失败返回-1

TCP网络编程流程

客户端流程：

1.创建流式套接字--socket()

2.填充服务器的网络信息结构体--struct sockaddr_in

3.与服务器建立连接--connect()

4.收发数据—recv()/send()

5.关闭套接字--close()

完整TCP连接建立

完整TCP连接建立过程

四次挥手

UDP通信

UDP 广播是一种将数据报同时发送给同一广播域内所有主机的传输方式

UDP（用户数据报协议）是一种无连接的、不可靠的传输层协议。其头部非常简单，固定长度为8 字节，包含以下四个字段：

UDP头部中没有序号（Sequence Number）字段，也没有确认号、标志位、窗口等字段。

UDP通信流程

1. 服务器端：socket()→bind()→ 循环recvfrom()/sendto()→close()

2. 客户端：socket()→sendto()→ 可选recvfrom()→close()

socket():创建套接字

sendto()：数据发送

recvfrom()：数据接收

sendto/recvfrom

recvfrom

recvfrom函数

头文件：#include <sys/socket.h> #include <sys/types.h>

函数原型：ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

参数：

•sockfd表示客户端的socket套接字

•buf要接收的数据首地址

•len可接受数据的最大长度

•flags控制选项（如MSG_DONTWAIT非阻塞，MSG_PEEK窥视数据，0阻塞）

•src_addr源地址，获取发送方的信息

•addrlen地址长度

返回值：成功返回接收字节数，失败返回-1（并重置错误码）

sendto

sendto函数

头文件：#include <sys/socket.h> #include <sys/types.h>

函数原型：ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

参数：

•sockfd表示客户端的socket套接字

•buf要发送的数据首地址

•len数据大小

•flags控制选项（如MSG_DONTWAIT非阻塞，MSG_PEEK窥视数据，0阻塞）

•dest_addr目的地址，数据将要发向哪一个ip地址的主机

•addrlen地址长度

返回值：成功返回发送字节数，失败返回-1（并重置错误码）

单播

单播：一对一通信，数据包从单一源地址发送到单一目标地址

流程与各层职责：

应用层

•调用sendto()发送数据到指定目标IP和端口

•调用recvfrom()接收来自特定源的数据

传输层

•封装UDP头部：源端口、目标端口、长度、校验和

•不建立连接，直接发送数据报

网络层

•封装IP头部：源IP、目标IP（单播地址，如192.168.1.100）

•根据目标IP查找路由表，选择下一跳

数据链路层

•根据目标IP的MAC地址（通过ARP解析）封装以太网帧

•通过物理网络设备（如网卡）发送到目标主机

组播

组播：一对多通信，数据包发送到一个组播组，组内所有成员均可接收

流程与各层职责：

应用层

•发送端：调用发送数据到组播地址（如239.255.0.1）

•接收端：调用加入组播组（IP_ADD_MEMBERSHIP）

传输层

•封装UDP头部：目标端口为组播端口（如12345）

•组播成员无需提前建立连接

网络层

•封装IP头部：目标IP为组播地址（D类地址，224.0.0.0~239.255.255.255）

•接收端通过IGMP报文通知路由器加入/离开组播组

•路由器维护组播组成员列表，仅向存在成员的子网转发数据

数据链路层

•组播MAC地址映射：将IP组播地址转换为以太网组播MAC（如01:00:5E:XX:XX:XX）

•交换机/路由器：根据组播MAC地址复制数据包到多个端口

setsockopt

setsockopt函数

头文件：#include <sys/socket.h>

函数原型：int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

参数：

•sockfd目标套接字描述符，表示需要配置的套接字

•level选项层级（如SOL_SOCKET、IPPROTO_IP）

•optname选项名称（如SO_REUSEADDR、IP_ADD_MEMBERSHIP）

•optval指向选项值的指针，类型和长度需与optname匹配

•optlenoptval指向的数据长度

返回值：成功返回0，失败返回非0数据

广播

广播：一对所有通信，数据包发送到同一网络内的所有主机

流程与各层职责：

应用层

•发送端：调用setsockopt()启用广播选项（SO_BROADCAST）

•调用sendto()发送数据到广播地址（如255.255.255.255）

传输层

•封装UDP头部：目标端口为广播端口（如9999）

•接收端无需加入组，但需监听指定端口

网络层

•封装IP头部：目标IP为广播地址（受限广播255.255.255.255或定向广播192.168.1.255）

•受限广播仅在本局域网内传播，路由器默认不转发

•定向广播可跨子网（需路由器支持，通常被禁用）

数据链路层

•广播MAC地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF

•交换机将广播包泛洪到所有端口（除源端口）