网络编程TCP/UDP通信

1 网络通信概述

1.1 IP 和端口

所有的数据传输，都有三个要素：源、目的、长度。

怎么表示源或者目的呢？请看图

所以，在网络传输中需要使用“IP 和端口”来表示源或目的。

1.2 网络传输中的 2 个对象：server 和 client

我们经常访问网站，这涉及 2 个对象：网站服务器，浏览器。网站服务器平时安静地呆着，浏览器主动发起数据请求。网站服务器、浏览器可以抽象成 2 个软件的概念：server 程序、 client 程序。

1.3 两种传输方式：TCP/UDP

在一般的网络书籍中，网络协议被分为 5 层，如图

应用层：它是体系结构中的最高层，直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务。在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议，支持文件传送的 FTP 协议， DNS ，POP3， SNMP ， Telnet 等等。

运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。

运输层主要使用以下两种协议：

传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol) ：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。

用户数据包协议 UDP(User Datagram Protocol) ：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“ 尽最大努力交付 ” 。

⚫ 网络层：负责将被称为数据包（ datagram ）的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。

⚫ 链路层：因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。

⚫ 物理层：在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。

这些层对于初学者来说很难理解，我们只需要知道：我们需要使用“运输层” 编写应用程序，我们的应用程序位于“应用层”。

使用“运输层”时，可以选择 TCP 协议，也可以选择 UDP 协议。

1.3.1 TCP 和 UDP 原理上的区别

TCP 向它的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务有 2 个特点：可靠传输、流量控制（即发送方/ 接收方速率匹配）。它包括了应用层报文划分为短报文，并提供拥塞控制机制。

UDP 协议向它的应用程序提供无连接服务。它没有可靠性，没有流量控制，也没有拥塞控制。

1.3.2 为何存在 UDP 协议

既然 TCP 提供了可靠数据传输服务，而 UDP 不能提供，那么 TCP 是否总是首选呢？

答案是否定的，因为有许多应用更适合用 UDP ，举个例子：视频通话时，使用 UDP ，偶尔的丢包、偶尔的花屏时可以忍受的；如果使用 TCP ，每个数据包都要确保可靠传输，当它出错时就重传，这会导致后续的数据包被阻滞，视频效果反而不好。

使用 UDP 时，有如下特点：

1.关于何时发送什么数据控制的更为精细

采用 UDP 时只要应用进程将数据传递给 UDP ， UDP 就会立即将其传递给网络层。而 TCP 有重传机制，而不管可靠交付需要多长时间。但是实时应用通常不希望过分的延迟报文段的传送，且能容忍一部分数据丢失。

2.无需建立连接，不会引入建立连接时的延迟。

3.无连接状态，能支持更多的活跃客户。

4.分组首部开销较小。

1.3.3 TCP/UDP 网络通信大概交互图

下面我们分别画出运用 TCP 协议和运用 UDP 协议的客户端和服务器大概交互图。

面向连接的 TCP 流模式：

UDP 用户数据包模式：

2 网络编程主要函数介绍

2.1 socket 函数

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

此函数用于创建一个套接字。

⚫ domain 是网络程序所在的主机采用的通讯协族 (AF_UNIX 和 AF_INET 等 ) 。

◼ AF_UNIX 只能够用于单一的 Unix 系统进程间通信，而 AF_INET 是针对 Internet 的，因而可以允许远程通信使用。

⚫ type 是网络程序所采用的通讯协议 (SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM 等 ) 。

◼ SOCK_STREAM 表明用的是 TCP 协议，这样会提供按顺序的，可靠，双向，面向连接的比特流。

◼ SOCK_DGRAM 表明用的是 UDP 协议，这样只会提不可靠，无连接的通信。

⚫ 关于 protocol ，由于指定了 type ，所以这个地方一般只要用 0 来代替就可以了。

此函数执行成功时返回文件描述符，失败时返回-1, 看 errno 可知道出错的详细情况。

2.2 bind 函数

int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

从函数用于将地址绑定到一个套接字。

⚫ sockfd 是由 socket 函数调用返回的文件描述符。

⚫ my_addr 是一个指向 sockaddr 的指针。

⚫ addrlen 是 sockaddr 结构的长度。

sockaddr 的定义：

struct sockaddr{
    unisgned short as_family;
    char sa_data[14];
};

不过由于系统的兼容性 , 我们一般使用另外一个结构 (struct sockaddr_in) 来代替。 sockaddr_in 的定义：

struct sockaddr_in{
    unsigned short sin_family;
    unsigned short sin_port;
    struct in_addr sin_addr;
    unsigned char sin_zero[8];
}

如果使用 Internet 所以 sin_family 一般为 AF_INET 。

⚫ sin_addr 设置为 INADDR_ANY 表示可以和任何的主机通信。

⚫ sin_port 是要监听的端口号。

⚫ bind 将本地的端口同 socket 返回的文件描述符捆绑在一起 . 成功是返回 0,失败的情况和 socket 一样。

2.3 listen 函数

int listen(int sockfd,int backlog);

此函数宣告服务器可以接受连接请求。

⚫ sockfd 是 bind 后的文件描述符。

⚫ backlog 设置请求排队的最大长度。当有多个客户端程序和服务端相连时，使用这个表示可以介绍的排队长度。

⚫ listen 函数将 bind 的文件描述符变为监听套接字，返回的情况和 bind 一样。

2.4 accept 函数

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

服务器使用此函数获得连接请求，并且建立连接。

⚫ sockfd 是 listen 后的文件描述符。

⚫ addr ， addrlen 是用来给客户端的程序填写的 , 服务器端只要传递指针就可以了， bind,listen 和 accept 是服务器端用的函数。

⚫ accept 调用时，服务器端的程序会一直阻塞到有一个客户程序发出了连接。

accept 成功时返回最后的服务器端的文件描述符，这个时候服务器端可以向该描述符写信息了，失败时返回-1 。

2.5 connect 函数

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);

可以用 connect 建立一个连接，在 connect 中所指定的地址是想与之通信的服务器的地址。

⚫ sockfd 是 socket 函数返回的文件描述符。

⚫ serv_addr 储存了服务器端的连接信息，其中 sin_add 是服务端的地址。

⚫ addrlen 是 serv_addr 的长度

⚫ connect 函数是客户端用来同服务端连接的 . 成功时返回 0 ， sockfd 是同服务端通讯的文件描述符，失败时返回-1 。

2.6 send 函数

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

⚫ sockfd 指定发送端套接字描述符；

⚫ buf 指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；

⚫ len 指明实际要发送的数据的字节数；

⚫ flags 一般置 0 。

⚫ 客户或者服务器应用程序都用 send 函数来向 TCP 连接的另一端发送数据

2.7 recv 函数

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

⚫ sockfd 指定接收端套接字描述符；

⚫ buf 指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放 recv 函数接收到的数据；

⚫ len 指明 buf 的长度；

⚫ flags 一般置 0 。

⚫ 客户或者服务器应用程序都用 recv 函数从 TCP 连接的另一端接收数据。

2.8 recvfrom 函数

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

⚫ recvfrom 通常用于无连接套接字，因为此函数可以获得发送者的地址。

⚫ src_addr 是一个 struct sockaddr 类型的变量，该变量保存源机的 IP 地址及端口号。

⚫ addrlen 常置为 sizeof （ struct sockaddr ）。

2.9 sendto 函数

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

⚫ sendto 和 send 相似，区别在于 sendto 允许在无连接的套接字上指定一个目标地址。

⚫ dest_addr 表示目地机的 IP 地址和端口号信息。

⚫ addrlen 常常被赋值为 sizeof （ struct sockaddr ）。

⚫ sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回 -1 。