LinuxTCP/UDP基础概念

news2025/4/2 6:13:52

TCP（传输控制协议）

TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它的主要特点包括：

  • 面向连接：在传输数据之前，需要通过“三次握手”建立连接；传输结束后，通过“四次挥手”断开连接。

  • 可靠传输：使用确认机制、重传机制和滑动窗口机制等确保数据无差错、不丢失、不重复且按序到达。

  • 全双工通信：允许通信双方在同一时刻互相发送和接收数据。

UDP（用户数据报协议）

UDP 是一种无连接的传输层协议，它的特点如下：

  • 无连接：发送数据前无需建立连接，直接将数据报发送到目标地址。

  • 不可靠传输：不保证数据的可靠到达，可能会出现数据丢失、重复或乱序的情况。

  • 开销小：UDP 首部只有 8 个字节，相较于 TCP 20 字节的首部，开销更小，传输效率更高。

三次握手和四次挥手

三次握手（建立 TCP 连接）

  1. 客户端向服务器发送 SYN 包：客户端选择一个初始序列号 seq = x，向服务器发送一个 SYN 包，请求建立连接。

  2. 服务器响应 SYN + ACK 包：服务器收到 SYN 包后，选择自己的初始序列号 seq = y，并将客户端的序列号加 1（ack = x + 1），然后发送一个 SYN + ACK 包给客户端。

  3. 客户端发送 ACK 包：客户端收到 SYN + ACK 包后，将服务器的序列号加 1（ack = y + 1），并发送一个 ACK 包给服务器，此时连接建立成功。

  4. 如图：

四次挥手（关闭 TCP 连接）

  1. 客户端发送 FIN 包：客户端完成数据传输后，向服务器发送一个 FIN 包，表示请求关闭连接。

  2. 服务器发送 ACK 包：服务器收到 FIN 包后，发送一个 ACK 包给客户端，表示同意关闭客户端到服务器的连接。

  3. 服务器发送 FIN 包：服务器完成数据传输后，向客户端发送一个 FIN 包，表示请求关闭服务器到客户端的连接。

  4. 客户端发送 ACK 包：客户端收到 FIN 包后，发送一个 ACK 包给服务器，表示同意关闭服务器到客户端的连接，此时连接关闭。

  5. 如图：

C 语言代码实例

TCP 服务器端代码

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

#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_socket, client_socket;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
    char buffer[BUFFER_SIZE];

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

    // 初始化服务器地址结构
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定套接字到指定地址和端口
    if (bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind failed");
        close(server_socket);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 监听连接
    if (listen(server_socket, 5) == -1) {
        perror("listen failed");
        close(server_socket);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

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

    // 接受客户端连接
    client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
    if (client_socket == -1) {
        perror("accept failed");
        close(server_socket);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Client connected.\n");

    // 接收和发送数据
    while (1) {
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        ssize_t recv_len = recv(client_socket, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0);
        if (recv_len <= 0) {
            break;
        }
        printf("Received from client: %s\n", buffer);

        // 回显数据给客户端
        send(client_socket, buffer, recv_len, 0);
    }

    // 关闭套接字
    close(client_socket);
    close(server_socket);

    return 0;
}

TCP 客户端代码

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

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int client_socket;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

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

    // 初始化服务器地址结构
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 连接到服务器
    if (connect(client_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("connect failed");
        close(client_socket);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Connected to server.\n");

    // 发送和接收数据
    while (1) {
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        printf("Enter message to send (or 'quit' to exit): ");
        fgets(buffer, BUFFER_SIZE - 1, stdin);

        if (strcmp(buffer, "quit\n") == 0) {
            break;
        }

        // 发送数据到服务器
        send(client_socket, buffer, strlen(buffer), 0);

        // 接收服务器的响应
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        ssize_t recv_len = recv(client_socket, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0);
        if (recv_len > 0) {
            printf("Received from server: %s", buffer);
        }
    }

    // 关闭套接字
    close(client_socket);

    return 0;
}

UDP 服务器端代码

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

#define PORT 9999
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_socket;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建套接字
    server_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (server_socket == -1) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化服务器地址结构
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定套接字到指定地址和端口
    if (bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind failed");
        close(server_socket);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

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

    // 接收和发送数据
    while (1) {
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        ssize_t recv_len = recvfrom(server_socket, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
        if (recv_len > 0) {
            printf("Received from client: %s\n", buffer);

            // 回显数据给客户端
            sendto(server_socket, buffer, recv_len, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, client_addr_len);
        }
    }

    // 关闭套接字
    close(server_socket);

    return 0;
}

UDP 客户端代码

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

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 9999
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int client_socket;
    struct sockaddr_in server_addr;
    socklen_t server_addr_len = sizeof(server_addr);
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建套接字
    client_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (client_socket == -1) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化服务器地址结构
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 发送和接收数据
    while (1) {
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        printf("Enter message to send (or 'quit' to exit): ");
        fgets(buffer, BUFFER_SIZE - 1, stdin);

        if (strcmp(buffer, "quit\n") == 0) {
            break;
        }

        // 发送数据到服务器
        sendto(client_socket, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr *)&server_addr, server_addr_len);

        // 接收服务器的响应
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        ssize_t recv_len = recvfrom(client_socket, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0, NULL, NULL);
        if (recv_len > 0) {
            printf("Received from server: %s", buffer);
        }
    }

    // 关闭套接字
    close(client_socket);

    return 0;
}

代码解释

TCP 代码

  • 服务器端：

    1. 创建 TCP 套接字。

    2. 绑定到指定的地址和端口。

    3. 监听客户端连接请求。

    4. 接受客户端连接。

    5. 接收客户端发送的数据，并将数据回显给客户端。

    6. 关闭连接。

  • 客户端：

    1. 创建 TCP 套接字。

    2. 连接到服务器。

    3. 发送数据给服务器。

    4. 接收服务器的响应。

    5. 关闭连接。

UDP 代码

  • 服务器端：

    1. 创建 UDP 套接字。

    2. 绑定到指定的地址和端口。

    3. 接收客户端发送的数据，并将数据回显给客户端。

  • 客户端：

    1. 创建 UDP 套接字。

    2. 发送数据到服务器。

    3. 接收服务器的响应。

    4. 关闭套接字。

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