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Linux学习-TCP网络协议

news 2025/8/25 5:16:16

一、TCP 基础认知

（一）协议定位与作用

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议 ）工作于 OSI 模型传输层，为应用层提供可靠、有序、面向连接的字节流传输服务，像 HTTP、FTP 等应用层协议依赖 TCP 保障数据稳定传输，弥补网络层（如 IP 协议）“尽力交付”的不可靠性。

（二）与 UDP 对比

特性TCPUDP
数据导向面向字节流（无明确数据包边界，按流传输 ）面向数据包（每个数据包独立，有明确边界 ）
连接性必须建立连接（三次握手）后通信无连接，直接发送数据包
可靠性通过确认、重传、排序等机制保障可靠传输仅尽力交付，不保证到达、顺序，可能丢包
资源开销机制复杂（连接管理、流量控制等 ），开销大机制简单，开销小
通信模式本质一对一（可通过多线程/进程并发实现“一对多” ）支持一对一、一对多、多对多通信
典型应用网页浏览（HTTP）、文件传输（FTP）等实时音视频（直播、视频通话 ）、DNS 查询等

二、TCP 核心机制全解析

（一）三次握手（建立连接，保障双向可靠）

在这里插入图片描述

1. 核心目的
  • 同步通信双方的初始序列号（ISN），为后续数据有序传输、去重做准备；
  • 确认双方发送和接收能力正常，确保连接建立后能稳定收发数据。
2. 详细流程（结合状态机理解）
  • 客户端状态变化：CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED
  • 服务端状态变化：CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED
  • 具体交互：
    1. 第一次握手（客户端→服务端）：
      • 客户端发送 SYN 包（SYN = 1，ACK = 0 ），携带客户端初始序列号（ISN_C），进入 SYN_SENT 状态，等待服务端回应。
      • 作用：发起连接请求，告知服务端“我要连你，这是我的初始序列号”。
    2. 第二次握手（服务端→客户端）：
      • 服务端收到 SYN 后，回复 SYN + ACK 包（SYN = 1，ACK = 1 ），携带服务端初始序列号（ISN_S），并确认客户端的 ISN_C（ACK = ISN_C + 1 ），进入 SYN_RCVD 状态。
      • 作用：同意连接请求，同步自己的序列号，同时确认客户端的序列号。
    3. 第三次握手（客户端→服务端）：
      • 客户端收到 SYN + ACK 后，发送 ACK 包（ACK = 1 ），确认服务端的 ISN_S（ACK = ISN_S + 1 ），进入 ESTABLISHED 状态；服务端收到 ACK 后，也进入 ESTABLISHED 状态，连接正式建立。
      • 作用：最终确认服务端的序列号，双方进入“可收发数据”的稳定状态。

（二）四次挥手（断开连接，确保数据无残留）

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1. 核心目的
  • 确保通信双方已发送的数据全部被接收，有序释放连接资源，避免数据丢失或“半关闭”状态导致的问题。
2. 详细流程（结合状态机理解）
  • 主动关闭方（假设是客户端）状态：ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
  • 被动关闭方（假设是服务端）状态：ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED
  • 具体交互：
    1. 第一次挥手（主动方→被动方）：
      • 主动方（如客户端）发送 FIN 包（FIN = 1 ），表示“我已无数据要发，准备断开”，进入 FIN_WAIT_1 状态。
      • 作用：发起断开请求，告知被动方“我要关闭连接了”。
    2. 第二次挥手（被动方→主动方）：
      • 被动方（如服务端）收到 FIN 后，回复 ACK 包（ACK = 1 ，ACK = 主动方FIN序列号 + 1 ），进入 CLOSE_WAIT 状态；主动方收到 ACK 后，进入 FIN_WAIT_2 状态。
      • 作用：确认断开请求，此时被动方可能仍有未发完的数据，需继续发送。
    3. 第三次挥手（被动方→主动方）：
      • 被动方数据发送完毕后，发送 FIN 包（FIN = 1 ），进入 LAST_ACK 状态，告知主动方“我也没数据了，可断连”。
      • 作用：被动方完成数据发送，发起最终断开请求。
    4. 第四次挥手（主动方→被动方）：
      • 主动方收到 FIN 后，回复 ACK 包（ACK = 1 ，ACK = 被动方FIN序列号 + 1 ），进入 TIME_WAIT 状态（需等待 2MSL 时间，确保被动方收到 ACK ，避免旧包干扰新连接 ）；被动方收到 ACK 后，直接进入 CLOSED 状态；主动方等待 2MSL 后，也进入 CLOSED 状态，连接完全断开。
      • 作用：最终确认断开，TIME_WAIT 是 TCP 保障可靠性的关键设计（防止迟到的数据包影响后续新连接 ）。

三、TCP 编程流程

在这里插入图片描述

（一）服务端流程与函数解析

1. socket()：创建套接字
  • 函数原型：int socket(int domain, int type, int protocol);
  • 参数：
    • domain：协议族，如 AF_INET（IPv4 网络 ）、AF_INET6（IPv6 ）。
    • type：套接字类型，SOCK_STREAM（TCP 字节流 ）、SOCK_DGRAM（UDP 数据包 ）。
    • protocol：协议，一般填 0（让系统自动匹配 domain 和 type 对应的协议，如 AF_INET + SOCK_STREAM 对应 IPPROTO_TCP ）。
  • 返回值：成功返回套接字描述符（非负整数），失败返回 -1。
  • 作用：创建用于网络通信的“端点”，是后续操作的基础。
2. bind()：绑定地址与端口
  • 函数原型：int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • 参数：
    • sockfd：socket() 创建的套接字描述符。
    • addr：指向地址结构体的指针（如 struct sockaddr_in 用于 IPv4 ，需强转为 struct sockaddr * ），包含 IP 地址、端口等信息。
    • addrlen：地址结构体的长度（如 sizeof(struct sockaddr_in) ）。
  • 返回值：成功 0，失败 -1。
  • 作用：让套接字与特定 IP + 端口绑定，服务端需明确“监听哪个地址和端口的连接”。
3. listen()：监听连接请求
  • 函数原型：int listen(int sockfd, int backlog);
  • 参数：
    • sockfd：已绑定的套接字描述符。
    • backlog：半连接队列 + 全连接队列的最大长度（实际受系统限制，如 Linux 中 somaxconn 参数影响 ），表示最多允许多少个客户端处于“等待连接”状态。
  • 返回值：成功 0，失败 -1。
  • 作用：将套接字设为“监听模式”，开始接收客户端的连接请求。
4. accept()：接收客户端连接
  • 函数原型：int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
  • 参数：
    • sockfd：监听套接字描述符（listen() 后的套接字 ）。
    • addr：用于存储客户端地址信息的结构体指针（如 struct sockaddr_in ），可 NULL（不关心客户端地址 ）。
    • addrlen：地址结构体长度的指针（需提前赋值，如 sizeof(struct sockaddr_in) ），函数会修改其值为实际客户端地址长度。
  • 返回值：成功返回新的通信套接字描述符（用于与该客户端收发数据 ），失败返回 -1。
  • 关键逻辑：阻塞等待客户端的连接请求，三次握手完成后，生成独立的通信套接字，后续与该客户端的数据交互都通过此套接字，监听套接字可继续接收其他客户端连接。
5. recv()/send()：收发数据
  • recv() 函数原型：ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
    • 参数：
      • sockfd：通信套接字描述符（accept() 返回的 ）。
      • buf：接收数据的缓冲区指针。
      • len：期望接收的最大字节数。
      • flags：标志位，一般填 0（默认阻塞接收 ），也可设 MSG_DONTWAIT（非阻塞 ）等。
    • 返回值：成功返回实际接收的字节数；失败返回 -1；对方关闭连接返回 0。
  • send() 函数原型：ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
    • 参数：
      • sockfd：通信套接字描述符。
      • buf：要发送数据的缓冲区指针。
      • len：要发送的数据长度。
      • flags：标志位，一般填 0（默认发送 ），也可设 MSG_DONTWAIT（非阻塞 ）等。
    • 返回值：成功返回实际发送的字节数；失败返回 -1。
  • 作用：通过通信套接字实现应用层数据的收发，TCP 会负责底层的可靠传输（确认、重传等 ）。
6. close()：关闭套接字
  • 函数原型：int close(int fd);（fd 为套接字描述符 ）
  • 作用：触发 TCP 四次挥手流程，释放套接字资源；若为监听套接字，会停止接收新连接。

（二）客户端流程与函数解析

1. socket()：同服务端，创建套接字。
2. connect()：发起连接请求
  • 函数原型：int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • 参数：
    • sockfd：客户端套接字描述符。
    • addr：服务端地址结构体指针（如 struct sockaddr_in ，填服务端的 IP 和端口 ）。
    • addrlen：地址结构体长度。
  • 返回值：成功 0，失败 -1。
  • 关键逻辑：触发 TCP 三次握手，与服务端建立连接；若服务端无响应，会超时失败（可设置 SO_RCVTIMEO 等选项调整超时时间 ）。
3. send()/recv()：同服务端，收发数据。
4. close()：同服务端，关闭套接字，发起四次挥手。

四、TCP 粘包问题）

（一）问题本质

TCP 是面向字节流的协议，无明确“数据包边界”，发送方多次发送的应用层数据，接收方可能因TCP 底层的缓存、组包机制，或接收方处理速度慢，导致“多包数据被一次性读取”，出现“粘包”（多个应用层数据包粘连在一起 ），影响解析。

（二）产生原因

  1. 发送方角度：
    • 发送速率快，TCP 底层为提高效率，会将应用层的小数据包合并（Nagle 算法默认开启，合并小数据包发送 ），导致接收方读取到“合并后的大包”。
    • 应用层未明确数据包边界，连续发送时，TCP 流无区分标识。
  2. 接收方角度：
    • 接收缓冲区有残留数据，recv() 调用未按“应用层数据包大小”精准读取，导致一次读出多包数据。
    • 处理数据速度慢，多个数据包在缓冲区堆积，应用层读取时“一次性取走”。

（三）解决方法

1）调整发送速率

  • 原理：降低发送方数据发送频率，减少 TCP 底层因速率快对多包数据的重新组帧，让接收方有时间逐包处理。
  • 适用场景：对实时性要求不高、数据量小且发送频率易调整的简单场景，如低并发的本地数据传输测试 。
  • 缺点：会降低整体传输效率，不适用于高并发、低延迟的业务场景，如实时音视频传输 。

2）定长数据收发（基于结构体，需注意对齐）

  • 原理：发送方按固定大小封装数据（如固定结构体长度），接收方也按相同固定大小接收，通过明确数据边界解决粘包。
  • 结构体对齐问题：跨平台（如 32 位与 64 位系统）传输时，因不同平台对结构体成员的内存布局规则不同，可能导致数据解析错误。例如：
struct a {char a; int b; long c; 
};

在 32 位和 64 位平台，int long 等类型的字节长度、内存对齐方式有差异，需用编译指令（如 #pragma pack ）或属性设置（如 __attribute__((packed)) ）统一对齐规则 。

  • 适用场景：数据格式固定、对跨平台兼容性要求高且数据量相对稳定的场景，如硬件设备间的简单协议通信 。
  • 示例流程：发送方定义 struct Data { char msg[100]; }; ，每次发送 100 字节的 msg 内容；接收方同样按 100 字节大小接收 struct Data 数据，解析 msg 字段 。

3）添加分隔符解析

  • 原理：在应用层发送的数据中加入唯一分隔符（如 \n ），接收方按分隔符拆分数据包，识别数据边界。
  • 示例：发送方发送 hello world\n how are you\n ，接收方读取数据后，以 \n 为标识，拆分出两个数据包 “hello world” 和 “how are you” 。
  • 注意事项：若数据本身含分隔符，需提前转义（如将数据中的 \n 替换为 \\n ，接收方再还原 ），否则会误判数据边界，导致解析错误 。
  • 适用场景：文本类数据传输，如日志传输、简单命令交互场景，分隔符易识别且数据内容对分隔符干扰少的情况 。

4）封装自定义数据帧格式（协议）

  • 原理：自定义包含帧头、帧尾、有效数据长度、校验等字段的数据帧，接收方严格按协议解析，通过帧头帧尾定位边界，校验确保数据完整。
  • 帧结构说明（以示例帧 AA C0 00 00 00 F0 00 BB 10 A0 00 00 00 10 校验 BB 为例 ）：
    • 帧头：如 AA ，固定标识数据帧开始，方便接收方识别新帧 。
    • 有效数据长度：如 C0 ，告知接收方有效数据的字节数，辅助解析数据范围 。
    • 有效数据：如 00 00 00 F0 00 BB 10 A0 00 00 00 10 ，承载实际业务数据 。
    • 校验：支持 8 位和校验、16 位和校验、CRC 校验等，用于检测数据在传输中是否出错，保障数据可靠性 。
    • 帧尾：如 BB ，标识数据帧结束，配合帧头完成边界识别 。
  • 适用场景：对数据可靠性、安全性要求高的复杂场景，如工业控制、金融交易等领域的通信，需精准解析和错误校验的场景 。
  • 解析流程：接收方先查找 AA 帧头，读取有效数据长度字段，按长度提取有效数据，通过校验字段验证数据完整性，最后识别 BB 帧尾，完成一包数据解析 。
http://www.xdnf.cn/news/1356301.html

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