Linux 软件编程(十)网络编程：网络协议，UDP 与 TCP 知识点
一、UDP 协议
1. UDP 的核心特点
- 面向数据包：数据以独立数据包的形式传输，每个数据包包含完整的源地址和目的地址
- 无需建立连接：通信前不需要像 TCP 那样进行握手过程，直接发送数据
- 尽最大努力交付：不保证数据的可靠传输，可能出现丢包、乱序等情况
- 支持多种通信模式：可实现一对一、一对多的传输方式
- 高效轻量：机制简单，资源开销小，数据实时性高（适用于 VNC、直播等场景）
2. 如何避免 UDP 丢包
尽管 UDP 本身不保证可靠性，但可通过以下方式减少丢包：
- 控制发送速率，让接收方有足够时间处理数据
- 实现类似 TCP 的应答机制，接收方收到数据后向发送方确认
- 合理设置接收缓冲区大小，避免缓冲区溢出导致丢包
3. 网络抓包工具：Wireshark
Wireshark 是分析网络协议的重要工具，使用步骤如下：
- 通过
sudo wireshark命令启动工具 - 选择需要抓取的网卡（通常选择 "any" 捕获所有网卡）
- 设置过滤条件（如
udp或tcp过滤特定协议） - 点击开始抓包按钮
- 进行目标网络通信，观察捕获的数据包详情
4. UDP 报文头部结构
UDP 头部固定为 8 字节，包含以下字段：
- 源端口号：发送方网络进程的端口号
- 目标端口号：接收方网络进程的端口号
- 长度：UDP 报文的总长度（头部 + 数据部分）
- 校验和：用于数据差错校验的字段
二、TCP 协议
TCP（传输控制协议）属于传输层协议，采用流式套接字，与 UDP 有显著区别。
1. TCP 的核心特点
- 面向数据流：数据以字节流形式传输，无数据包边界
- 面向连接：通信前必须建立连接（三次握手）
- 安全可靠：通过确认机制、重传机制等保证数据可靠传输
- 机制复杂：相比 UDP，网络资源开销较大
- 通信模式：本质上是一对一通信，可通过并发方式实现一对多通信
2. TCP 三次握手与四次挥手
三次握手（建立连接）
TCP 建立连接时需进行三次握手，确保收发双方都已准备就绪：
- 客户端发送带 SYN（请求建立连接）标志的报文
- 服务端返回带 SYN+ACK（同意连接 + 确认）标志的报文
- 客户端发送带 ACK（确认）标志的报文，连接建立
四次挥手（断开连接）
TCP 断开连接时需进行四次挥手（），确保双方数据都已传输完毕：
- 四次挥手：因为服务端可能存在 “未发完的数据”，需要拆分 “确认断开请求” 和 “真正断开连接” 两个步骤，保证数据不丢失、连接关闭有序。
- 主动方发送带 FIN（请求断开）标志的报文
- 被动方返回 ACK（确认）标志的报文
- 被动方发送带 FIN（请求断开）标志的报文
- 主动方返回 ACK（确认）标志的报文，连接关闭
3. TCP 编程流程
理解：客户端通过
connect()发起连接请求，服务端通过listen()监听，accept()接收完成 三次握手的客户端
客户端流程
socket()：创建套接字connect()：请求与服务端建立连接send()/recv()：发送和接收数据close()：关闭连接
服务端流程
socket()：创建监听套接字（sockfd）bind()：绑定 IP 地址和端口listen()：监听客户端连接请求accept()：接收连接，生成通信套接字（connfd）recv()/send()：通过通信套接字收发数据close()：关闭连接
关键函数解析
// 建立连接
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);功能：请求与服务端建立连接 参数：sockfd：套接字addr：要连接的服务端的地址信息addrlen：服务端地址大小返回值：成功：0失败：-1//发送数据
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);功能：发送网络数据参数：sockfd：网络套接字buf：要发送的数据首地址len：发送的字节数flags：0 ：按照默认方式发送返回值：成功：实际发送的字节数失败：-1// 监听连接
int listen(int sockfd, int backlog);功能：监听建立三次握手的客户端参数：sockfd：监听套接字backlog：最大允许监听的客户端个数返回值：成功：0失败：-1// 接收连接
int accept(int socket, struct sockaddr *restrict address, socklen_t *restrict address_len); 功能：接收建立三次握手的客户端，并产生一个通讯套接字参数：socket：监听套接字address：客户端的地址信息address_len：客户端地址长的指针返回值：成功：通讯套接字失败：-1// 接收数据
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);功能：从网络套接字上接收数据参数：sockfd：通讯套接字buf：存放接收数据的首地址len：期望接收到的字节数flag ： 0：默认方式接收（阻塞）返回值：成功：实际接收到的字节数失败：-1对方断开连接：0
4. TCP 粘包问题及解决方案
粘包原因
- 发送方速度快，TCP 底层对多包数据重新组帧
- 接收方处理速度慢，多包数据在缓冲区堆积，一次读出
解决方法
- 控制发送速率：避免发送过快导致粘包（可以加入usleep(1)函数, 让发送方晚一点）
- 固定数据大小：发送和接收固定大小的数据（如结构体），注意跨平台（32/64位系统）对齐问题（32位：long为4字节；64位：long为8字节）
- 添加分隔符：在数据末尾添加特定分隔符（如
\n），接收方根据分隔符解析 - 自定义协议帧：设计包含帧头、帧尾、长度、校验等字段的自定义协议（如：
AA [长度] [数据] [校验] BB）
三、总结
UDP 和 TCP 的核心区别
- 连接性：UDP 无连接，TCP 有连接
- 可靠性：UDP 不可靠，TCP 可靠
- 数据形式：UDP 面向数据包，TCP 面向数据流
- 开销：UDP 开销小，TCP 开销大
- 适用场景：UDP 适用于实时通信，TCP 适用于可靠传输
TCP 三次握手和四次挥手的意义
- 三次握手：确保双方收发能力正常，避免无效连接
- 四次挥手：保证双方都已完成数据传输，避免数据丢失
TCP 粘包问题的本质
- 源于 TCP 的流式传输特性，没有数据包边界，需在应用层解决
TCP 编程的核心要点
- 服务端需区分监听套接字和通信套接字
- 注意处理
recv()返回 0 的情况（表示对方断开连接） - 合理设置
listen()的 backlog 参数，控制并发连接数