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TCP网络编程概述

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的传输层协议，广泛应用于网络通信。与UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）不同，TCP提供了可靠的数据传输机制，确保数据能够完整、有序地从发送端传输到接收端。本文将详细介绍TCP协议的特点、TCP与UDP的差异、TCP编程流程以及客户端和服务器的实现方式。

1. TCP协议的特点

TCP具有以下主要特点：

1. 面向连接：在通信前，TCP必须先建立连接。
2. 有序号和确认机制：每个数据包都带有序号，接收方需要发送确认序号，确保数据有序接收。
3. 排序、检错和失败重传：TCP对接收到的数据进行排序，检查数据的完整性，如有错误，会进行重传。
4. 大文件传输：由于TCP能够分片并重新组装数据包，它特别适合大文件的可靠传输。
5. 不支持广播和多播：与UDP不同，TCP不支持广播和多播，只支持点对点通信。

在TCP通信中，客户端和服务器的角色各不相同：

• TCP客户端：主动向服务器发起连接。
• TCP服务器：被动等待客户端连接。

2. TCP与UDP的差异

特点	TCP	UDP
面向连接	是	否
可靠传输	是	否
顺序保证	是	否
传输效率	较低（需要连接、确认等）	较高（无连接、无确认）
数据传输大小限制	无	有（单个数据包有限制）
广播/多播支持	否	是

TCP更适合需要可靠传输的应用场景，如文件传输、邮件等，而UDP更适合实时性要求高的应用，如视频、语音传输。

3. TCP编程流程

编写TCP程序时，主要流程如下：

1. 创建套接字：使用socket()函数创建TCP套接字。
2. 连接服务器（客户端）或绑定端口并监听连接（服务器）。
3. 发送或接收数据：通过send()和recv()函数进行数据交换。
4. 关闭连接：使用close()函数关闭套接字。
   

TCP网络编程相关函数详解

在编写TCP程序时，通常会使用一系列网络函数来创建套接字、建立连接、发送/接收数据并关闭连接。下面将对TCP网络编程中常用的函数进行详细讲解，以帮助读者更好地理解每个函数的用途及其使用方法。

1. socket()：创建套接字

socket()函数是网络编程的基础，用于创建套接字（Socket）。套接字是网络通信的端点，类似于两台设备之间的通信通道。它的定义如下：

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

参数说明：

• domain：指定通信使用的地址族，常用的有：
  • AF_INET：IPv4网络协议。
  • AF_INET6：IPv6网络协议。
• type：指定套接字类型，常用的有：
  • SOCK_STREAM：流式套接字，用于TCP连接。
  • SOCK_DGRAM：数据报套接字，用于UDP连接。
• protocol：一般为0，表示使用默认协议（TCP或UDP）。

返回值：

• 成功：返回套接字的文件描述符。
• 失败：返回-1，并设置errno。

示例：

int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建TCP套接字
if (sock < 0) {
    perror("socket creation failed");
}

2. connect()：客户端连接服务器

connect()函数用于客户端主动向服务器发起连接请求。在TCP连接中，客户端通过该函数连接指定的服务器。

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

参数说明：

• sockfd：客户端套接字描述符。
• addr：服务器的地址结构，通常为struct sockaddr_in。
• addrlen：地址结构的大小。

返回值：

• 成功：返回0。
• 失败：返回-1，并设置errno。

示例：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8000); // 服务器端口号
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.35.184.221"); // 服务器IP地址

if (connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) != 0) {
    perror("connect failed");
}

3. bind()：服务器绑定地址和端口

bind()函数用于将套接字绑定到指定的IP地址和端口号。服务器需要通过bind()来指定其服务的地址和端口。

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

参数说明：

• sockfd：服务器套接字描述符。
• addr：服务器地址结构，通常为struct sockaddr_in。
• addrlen：地址结构的大小。

返回值：

• 成功：返回0。
• 失败：返回-1，并设置errno。

示例：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(9000); // 绑定端口9000
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定本机所有IP

if (bind(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) != 0) {
    perror("bind failed");
}

4. listen()：监听连接请求

服务器通过listen()函数来监听客户端的连接请求，进入监听状态，准备接受客户端的连接。

int listen(int sockfd, int backlog);

参数说明：

• sockfd：服务器套接字描述符。
• backlog：连接队列的大小，表示服务器可以处理的等待连接的客户端数量。

返回值：

• 成功：返回0。
• 失败：返回-1，并设置errno。

示例：

if (listen(sock, 5) != 0) { // 最大连接等待队列长度为5
    perror("listen failed");
}

5. accept()：接受客户端连接

accept()函数用于服务器从连接队列中取出一个客户端连接，生成一个新的套接字，用于和该客户端进行通信。

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

参数说明：

• sockfd：服务器监听套接字。
• addr：客户端地址结构，用于存储连接的客户端信息。
• addrlen：地址结构的大小。

返回值：

• 成功：返回一个新的已连接套接字描述符，用于与客户端通信。
• 失败：返回-1，并设置errno。

示例：

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
int client_sock = accept(sock, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
if (client_sock < 0) {
    perror("accept failed");
}

6. send()：发送数据

send()函数用于向指定的套接字发送数据。

ssize_t send(int sockfd, const void *buffer, size_t length, int flags);

参数说明：

• sockfd：套接字描述符。
• buffer：指向需要发送数据的缓冲区。
• length：要发送的数据长度。
• flags：通常为0，可选其他标志位。

返回值：

• 成功：返回发送的字节数。
• 失败：返回-1，并设置errno。

示例：

char message[] = "Hello, TCP Server!";
if (send(sock, message, strlen(message), 0) < 0) {
    perror("send failed");
}

7. recv()：接收数据

recv()函数用于从指定的套接字接收数据。

ssize_t recv(int sockfd, void *buffer, size_t length, int flags);

参数说明：

• sockfd：套接字描述符。
• buffer：指向接收数据的缓冲区。
• length：缓冲区大小。
• flags：通常为0，可选其他标志位。

返回值：

• 成功：返回接收到的字节数。
• 失败：返回-1，并设置errno。
• 如果连接被关闭，返回0。

示例：

char buffer[128];
ssize_t bytes_received = recv(sock, buffer, sizeof(buffer), 0);
if (bytes_received > 0) {
    buffer[bytes_received] = '\0'; // 确保数据是以字符串形式输出
    printf("Received data: %s\n", buffer);
} else if (bytes_received == 0) {
    printf("Connection closed by peer\n");
} else {
    perror("recv failed");
}

8. close()：关闭连接

close()函数用于关闭指定的套接字，释放相关资源。

int close(int sockfd);

参数说明：

• sockfd：需要关闭的套接字描述符。

返回值：

• 成功：返回0。
• 失败：返回-1，并设置errno。

示例：

close(sock); // 关闭套接字

TCP客户端与服务端的实现案例

TCP客户端实现

在TCP客户端编程中，客户端主动发起与服务器的连接。以下是一个基本的TCP客户端代码示例：

#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

typedef struct sockaddr_in addr_in;
typedef struct sockaddr addr;

int main(int argc, char const *argv[]) {
    // 创建TCP套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    // 连接TCP服务器
    addr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8000);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.35.184.221");
    
    if (connect(sock, (addr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) != 0) {
        perror("connect");
        return -1;
    }
    printf("TCP server connect OK\n");

    // 每2秒发送一次数据
    int n = 0;
    while (1) {
        char data[] = "hi, tcp server!";
        if (send(sock, data, strlen(data), 0) > 0) {
            printf("(%d)发送成功！\n", ++n);
        }
        sleep(2);
    }

    close(sock);
    return 0;
}

TCP服务器实现

TCP服务器是被动的，等待客户端连接。在实现中，服务器需要首先绑定地址并监听客户端连接，接着通过accept()函数接受客户端的连接。以下是一个简单的单聊TCP服务器实现：

#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct sockaddr_in addr_in;
typedef struct sockaddr addr;

typedef struct {
    int sock;
    char ip[INET_ADDRSTRLEN];
} client_info;

void *readTask(void *arg) {
    client_info *info = (client_info *)arg;
    while (1) {
        char buf[128] = "";
        ssize_t len = recv(info->sock, buf, 128, 0);
        if (len > 0) {
            printf("%s: %s\n", info->ip, buf);
        }
    }
}

void *sendTask(void *arg) {
    client_info *info = (client_info *)arg;
    while (1) {
        char buf[128] = "";
        fgets(buf, 128, stdin);
        buf[strlen(buf)-1] = 0;
        send(info->sock, buf, strlen(buf), 0);
        if (strncmp(buf, "bye", 3) == 0) break;
    }
}

int main(int argc, char const *argv[]) {
    if (argc != 2) return -1;

    // 创建TCP套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 设置服务器地址
    addr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    if (bind(sock, (addr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) != 0) {
        perror("bind");
        return -1;
    }

    listen(sock, 1000);
    printf("TCP server running\n");

    addr_in client_addr;
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
    int client_sock = accept(sock, (addr *)&client_addr, &client_addr_len);

    if (client_sock > 0) {
        client_info info;
        info.sock = client_sock;
        inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, info.ip, INET_ADDRSTRLEN);
        printf("Client connected: %s\n", info.ip);

        pthread_t read_tid, send_tid;
        pthread_create(&read_tid, NULL, readTask, &info);
        pthread_create(&send_tid, NULL, sendTask, &info);
        pthread_join(send_tid, NULL);
    }

    close(sock);
    return 0;
}

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通过上述TCP网络编程的介绍和实例代码，读者可以掌握如何使用TCP协议进行可靠的数据通信，并根据实际需求实现功能丰富的网络应用程序。