网络通信与协议栈 -- TCP协议与编程

TCP 协议与编程：面向连接的可靠传输

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是传输层 “面向连接、可靠传输” 的核心协议，通过三次握手建立连接、四次挥手关闭连接，配合确认重传、流量控制、拥塞控制机制，保障数据有序、不丢失、不重复传输，适用于对可靠性要求高的场景（如网页浏览、文件传输、即时通信）。以下从协议特性、通信框架、编程流程到代码示例，系统梳理 TCP 编程核心内容。

1. TCP 的核心特性（与 UDP 对比）

TCP 作为 “可靠传输协议”，核心特性围绕 “连接管理” 和 “可靠性保障” 设计，与 UDP 的无连接、不可靠形成显著差异：

2. TCP 连接管理：三次握手与四次挥手

TCP 的 “面向连接” 核心是通过 “三次握手建立连接” 和 “四次挥手关闭连接”，确保通信双方状态同步，避免无效数据传输。

（1）三次握手（建立连接，确保双方收发能力正常）

目的：确认客户端和服务器的 “发送能力” 和 “接收能力” 均正常，分配连接所需资源（如缓冲区、序号）。
流程（客户端主动发起，服务器被动监听）：

1. 客户端 → 服务器：发送 SYN（同步）报文，携带初始序号（如 seq=100），表示 “我要建立连接，我的初始序号是 100”；此时客户端进入SYN_SENT状态。
2. 服务器 → 客户端：发送 SYN+ACK（同步 + 确认）报文，携带服务器初始序号（如 seq=200）和对客户端 SYN 的确认号（ack=101，即 “我收到你的 100，下次请发 101”）；此时服务器进入SYN_RCVD状态。
3. 客户端 → 服务器：发送 ACK（确认）报文，携带对服务器 SYN 的确认号（ack=201，即 “我收到你的 200，下次请发 201”）；此时客户端进入ESTABLISHED（连接建立）状态，服务器收到后也进入ESTABLISHED状态，双方可开始传输数据。

（2）四次挥手（关闭连接，确保数据传输完成）

目的：确保双方已传输完所有数据，释放连接占用的资源（如缓冲区、端口）。
流程（通常客户端主动发起关闭，也可服务器发起）：

1. 客户端 → 服务器：发送 FIN（结束）报文，携带序号（如 seq=300），表示 “我已无数据要发，请求关闭连接”；此时客户端进入FIN_WAIT_1状态。
2. 服务器 → 客户端：发送 ACK（确认）报文，携带确认号（ack=301，即 “我收到你的关闭请求，已停止接收你的数据”）；此时服务器进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态（等待服务器发送剩余数据）。
3. 服务器 → 客户端：服务器发送完所有剩余数据后，发送 FIN 报文，携带序号（如 seq=400），表示 “我也无数据要发，请求关闭连接”；此时服务器进入LAST_ACK状态。
4. 客户端 → 服务器：发送 ACK（确认）报文，携带确认号（ack=401，即 “我收到你的关闭请求”）；此时客户端进入TIME_WAIT状态（等待 2MSL，确保服务器收到 ACK，避免服务器重发 FIN），服务器收到后进入CLOSED状态；客户端等待 2MSL 后也进入CLOSED状态，连接完全关闭。

3. TCP 通信框架（C/S 模式）

TCP 采用 “客户端 - 服务器（C/S）” 模型，服务器需提前启动并监听指定端口，客户端主动发起连接请求，连接建立后双方通过 “字节流” 传输数据，流程如下：

• 服务器端：启动 → 创建套接字 → 绑定 IP + 端口 → 监听端口 → 接受客户端连接 → 收发数据 → 关闭连接 ；
• 客户端：启动 → 创建套接字 → 发起连接（连接服务器） → 收发数据 → 关闭连接；

核心差异（与 UDP 对比）：

• 服务器需多一步 “监听（listen）” 和 “接受连接（accept）” 操作，UDP 无需；
• 连接建立后，双方通过read()/write()或recv()/send()收发数据（基于已连接套接字），无需每次指定目标地址（UDP 需每次用sendto()/recvfrom()指定地址）；
• 数据传输为 “字节流”，接收端需根据应用层协议（如 HTTP 的Content-Length）判断数据是否接收完整，UDP 无需（数据报有边界）。

4. TCP 编程流程（以 C 语言 Socket API 为例）

TCP 编程依赖标准 Socket API，核心函数包括socket()（创建套接字）、bind()（绑定地址）、listen()（监听端口）、accept()（接受连接）、connect()（发起连接）、send()/recv()（收发数据）、close()（关闭连接）。

（1）核心函数说明

（2）TCP 编程流程对比（服务器端 vs 客户端）

5. TCP服务器/客户端 代码示例

服务器端代码

#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
typedef struct sockaddr *(SA);  // 定义sockaddr指针别名

int main(int argc, char **argv)
{
  // 创建监听套接字
  int listfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (-1 == listfd)
  {
    perror("scoket error\n");
    return 1;
  }
  
  // 初始化服务器地址结构
  struct sockaddr_in ser, cli;
  bzero(&ser, sizeof(ser));  // 清零结构体
  bzero(&cli, sizeof(cli));

  ser.sin_family = AF_INET;          // IPv4协议
  ser.sin_port = htons(50000);       // 端口号转换为网络字节序
  ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 监听所有网络接口

  // 绑定地址和端口
  int ret = bind(listfd, (SA)&ser, sizeof(ser));
  if (-1 == ret)
  {
    perror("bind");
    return 1;
  }
  
  // 开始监听（队列长度3）
  listen(listfd, 3);
  
  socklen_t len = sizeof(cli);
  // 接受客户端连接
  int conn = accept(listfd, (SA)&cli, &len);
  if (-1 == conn)
  {
    perror("accept");
    return 1;
  }
  
  time_t tm;
  while (1)
  {
    char buf[1024] = {0};  // 初始化接收缓冲区
    // 接收客户端数据
    int ret = recv(conn, buf, sizeof(buf), 0);
    if (ret <= 0)  // 连接关闭或出错
    {
        break;
    }
    time(&tm);  // 获取当前时间
    // 在消息后附加时间戳
    sprintf(buf, "%s %s", buf, ctime(&tm));
    // 发送响应数据
    send(conn, buf, strlen(buf), 0);
  }
  
  // 关闭所有套接字
  close(listfd);
  close(conn);

  return 0;
}

运行结果：

• 服务器启动后阻塞在accept()等待连接
• 客户端连接后，服务器接收消息并添加时间戳返回
• 示例输出：hello,this is tcp test Wed Jun 12 10:30:45 2024

客户端代码 

#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
typedef struct sockaddr *(SA);  // 定义sockaddr指针别名

int main(int argc, char **argv)
{
  // 创建通信套接字
  int conn = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (-1 == conn)
  {
    perror("socket");
    return 1;
  }
  
  // 初始化服务器地址结构
  struct sockaddr_in ser;
  bzero(&ser, sizeof(ser));

  ser.sin_family = AF_INET;        // IPv4协议
  ser.sin_port = htons(50000);     // 服务器端口
  ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 本地回环地址

  // 连接服务器
  int ret = connect(conn, (SA)&ser, sizeof(ser));
  if (-1 == ret)
  {
    perror("connect error\n");
    return 1;
  }
  
  int i = 10;
  while (i--)
  {
    char buf[1024] = "hello,this is tcp test";  // 发送消息
    send(conn, buf, strlen(buf), 0);            // 发送数据
    
    bzero(buf, sizeof(buf));                   // 清空缓冲区
    recv(conn, buf, sizeof(buf), 0);           // 接收响应
    printf("from ser:%s\n", buf);              // 打印服务器响应
    sleep(1);                                  // 间隔1秒
  }
  
  close(conn);  // 关闭连接
  return 0;
}

运行结果：

• 客户端连接服务器成功
• 每秒发送"hello,this is tcp test"并接收带时间戳的响应
• 示例输出：from ser:hello,this is tcp test Wed Jun 12 10:30:45 2024

6.TCP数据粘包问题

问题描述：

• TCP粘包问题是指由于TCP是面向流的传输协议，数据在传输过程中没有明确的消息边界，导致：

• 多条消息合并：接收方可能一次性收到发送方多次发送的数据

• 消息被拆分：一个完整的消息可能被拆分成多个数据包接收

• 数据混乱：无法准确区分每条消息的起始和结束位置

解决方案：

1. 设置边界：使用特殊字符（如\0）作为消息结束标志
2. 固定大小：每次发送固定长度的数据块
3. 自定义协议：在消息头部添加长度字段