Linux网络编程：深入探索TCP与UDP
在Linux网络编程的世界里，TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）无疑是两种最为核心的传输层协议
它们各自具有独特的特性和应用场景，了解并善用它们对于构建高效、可靠的网络应用至关重要
本文将深入探讨TCP和UDP的原理、使用、数据流动以及异常情况的处理方式，帮助你更好地理解并应用这两种协议
一、TCP与UDP概述
1.1 TCP的原理
TCP是一种面向连接的协议，通过三次握手建立连接，并在连接上进行可靠的数据传输
这种可靠性是通过序列号、确认应答（ACK）、重传机制、流量控制和拥塞控制等技术来实现的
TCP协议段包括固定长度的首部和可变长度的数据部分，其中首部包含了各种用于建立和维护连接、传输控制和错误检测等功能的字段
TCP的三次握手过程如下：
- 第一次握手：客户端发送一个带有SYN标志的TCP报文段到服务器，表示请求建立连接
- 第二次握手：服务器收到SYN报文段后，回复一个带有SYN和ACK标志的TCP报文段，表示同意建立连接
- 第三次握手：客户端收到服务器的SYN-ACK报文段后，再发送一个带有ACK标志的TCP报文段，表示连接已建立
在数据传输过程中，TCP使用序列号来标记每个数据字节，并通过ACK来确认接收到的数据
如果数据在传输过程中丢失或出错，TCP会进行重传，直到数据被正确接收
TCP还通过滑动窗口和拥塞控制算法进行流量控制和拥塞控制
滑动窗口机制允许发送方在接收方未确认接收之前，发送一定数量的数据，从而提高了传输效率
拥塞控制算法则通过调整发送速率来避免网络拥塞
1.2 UDP的原理
相比于TCP，UDP是一种更简单的协议
UDP是无连接的，它直接在IP协议之上发送数据报，不提供数据的可靠传输、流量控制或拥塞控制
因此，UDP的延迟和开销较小，适用于对实时性要求高的应用，如语音和视频通信
UDP数据包每次能够传输的最大长度等于MTU（最大传输单元）减去IP头和UDP头的长度
由于UDP在传输数据报前不需要在客户端和服务器之间建立连接，且没有超时重发等机制，因此传输速度很快
但这也意味着UDP不提供可靠性保障，数据包可能会丢失或乱序到达
1.3 数据流动
在TCP和UDP通信中，数据是从客户端流向服务器的
客户端首先建立连接（TCP）或直接发送数据报（UDP），然后服务器接收并处理这些数据，可能会返回响应给客户端
在TCP通信中，数据的流动是双向的，客户端和服务器都可以发送数据和接收数据
在UDP通信中，数据的流动也是双向的，但由于UDP是无连接的，客户端和服务器可以独立地发送和接收数据
二、Socket的使用
在Linux网络编程中，我们使用socket来实现TCP和UDP通信
socket()、sockaddr_in结构体和相关常量都是用于创建和配置套接字的关键组件
2.1 TCP Socket示例
以下是一个简单的TCP服务器和客户端的示例代码
服务器端：
include
include
include
include
include
int main() {
intserver_fd =socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
structsockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(server_fd, (struct sockaddr)&server_addr, sizeof(server_addr));
listen(server_fd, 5);
while(true) {
structsockaddr_in client_addr;
socklen_tclient_addr_len =sizeof(client_addr);
intclient_fd =accept(server_fd,(structsockaddr)&client_addr, &client_addr_len);
charbuffer【1024】;
ssize_tread_len =read(client_fd, buffer,sizeof(buffer) - 1);
buffer【read_len】 = 0;
std::cout [ Received: [ buffer [ std::endl;
write(client_fd, buffer, strlen(buffer));
close(client_fd);
}
close(server_fd);
return 0;
}
客户端：
include
include
include
include
include
include
int main() {
intclient_fd =socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
structsockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, 127.0.0.1, &server_addr.sin_addr);
connect(client_fd, (struct sockaddr)&server_addr, sizeof(server_addr));
const- char message = Hello, Server!;
write(client_fd, message, strlen(message));
charbuffer【1024】;
ssize_tread_len =read(client_fd, buffer,sizeof(buffer) - 1);
buffer【read_len】 = 0;
std::cout [ Received: [ buffer [ std::endl;
close(client_fd);
return 0;
}
在这个示例中，服务器端首先创建一个TCP套接字，并绑定到指定的IP地址和端口上 然后，服务器进入监听状态，等待客户端的连接请求
当客户端连接到服务器时，服务器接受连接，并与客户端进行数据传输
客户端则通过connect函数连接到服务器，并发送和接收数据
2.2 UDP Socket示例
以下是一个简单的UDP服务器和客户端的示例代码
服务器端：
include
include
include
include
include
include
include
int main() {
unsigned short port = 48570;
int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(sockfd < {
perror(socket);
exit(-1);
}
structsockaddr_in my_addr;
bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_port = htons(port);
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
interr_log =bind(sockfd,(structsockaddr)&my_addr, sizeof(my_addr));
if(err_log!={
perror(bind);
close(sockfd);
exit(-1);
}
printf(Binding server to port %dn,port);
printf(receive data...n);
while(1) {
intrecv_len;
charrecv_buf【512】 = ;
structsockaddr_in client_addr;
charcli_ip【INET_ADDRSTRLEN】 = ;
socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr);
recv_len = recvfrom(sockfd,recv_buf,sizeof(recv_buf), 0, (struct sockaddr)&client_addr, &cliaddr_len);
inet_ntop(AF_INET, &client_addr
