TCP 编程探秘：建立连接、数据传输与多路复用的精髓-Toy模板网

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0. TCP 编程函数概览

函数名	用法	参数	返回值	说明
`socket`	`int socket(int domain, int type, int protocol);`	`domain`: 协议族 `type`: 套接字类型 `protocol`: 协议类型	成功时返回套接字描述符，失败时返回 -1	创建一个套接字
`bind`	`int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);`	`sockfd`: 套接字描述符 `addr`: 指向地址结构的指针 `addrlen`: 地址结构的长度	成功时返回 0，失败时返回 -1	将套接字与特定地址和端口绑定
`listen`	`int listen(int sockfd, int backlog);`	`sockfd`: 套接字描述符 `backlog`: 等待连接队列的最大长度	成功时返回 0，失败时返回 -1	将套接字设置为监听状态
`accept`	`int accept(int sockfd, struct sockaddr addr, socklen_t addrlen);`	`sockfd`: 套接字描述符 `addr`: 指向用于存放客户端地址的缓冲区 `addrlen`: 地址结构的长度	成功时返回新的套接字描述符，失败时返回 -1	接受客户端的连接请求
`connect`	`int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);`	`sockfd`: 套接字描述符 `addr`: 指向服务器地址的指针 `addrlen`: 地址结构的长度	成功时返回 0，失败时返回 -1	发起与服务器的连接请求
`send`	`ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);`	`sockfd`: 套接字描述符 `buf`: 指向要发送数据的缓冲区 `len`: 要发送的数据长度 `flags`: 发送标志	成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1	发送数据
`recv`	`ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);`	`sockfd`: 套接字描述符 `buf`: 用于存放接收数据的缓冲区 `len`: 缓冲区的长度 `flags`: 接收标志	成功时返回接收的字节数，失败时返回 -1	接收数据
`close`	`int close(int sockfd);`	`sockfd`: 套接字描述符	成功时返回 0，失败时返回 -1	关闭套接字

0.1. 错误处理相关函数

函数名	用法	参数	返回值	说明
`perror`	`void perror(const char *s);`	`s`: 用于输出错误信息的字符串	无返回值	输出描述性错误消息
`errno`	`int errno;`	无参数	整数值	全局变量，存储发生错误的代码
`strerror`	`char *strerror(int errnum);`	`errnum`: 错误码	返回错误描述字符串	根据错误码返回描述性字符串

I. 建立TCP连接

A. TCP简介

TCP传输控制协议概述
- TCP是一种面向连接的、可靠的传输层协议，用于在网络中提供可靠的数据传输服务。
- 它通过各种机制（如序列号、确认应答、重传）确保数据的完整性和可靠性。
可靠、面向连接通信的重要性
- 可靠性：TCP通过序列号、确认和重传等机制，保证数据在传输过程中不丢失、不重复，并按顺序交付。
- 面向连接：建立连接的过程中，通信双方会进行协商，确保彼此能够正常通信，并在通信结束后释放连接，释放资源。

B. 三次握手

三次握手的解释：SYN、SYN-ACK、ACK

握手阶段	发送方	接收方	描述
1. 发送SYN	Client	Server	发起连接请求，同步序列号（SYN）
2. 接收SYN	Server	Client	收到请求，回复同步确认和自己的SYN（SYN-ACK）
3. 发送ACK	Client	Server	确认接收方的SYN，完成握手（ACK）

序列号在建立可靠连接中的重要性
- 每个TCP报文段都包含一个序列号，用于标识发送的数据在整个数据流中的位置。序列号的使用使得接收方能够正确地组装数据流，并实现可靠的数据传输。

通过示例代码演示三次握手过程

下面是一个简单的C语言示例代码，演示了TCP三次握手的过程：

// Client
send_syn();        // 发送SYN
recv_syn_ack();    // 接收SYN-ACK
send_ack();        // 发送ACK

// Server
recv_syn();        // 接收SYN
send_syn_ack();    // 发送SYN-ACK
recv_ack();        // 接收ACK

II. 数据传输

A. TCP数据传输方式

数据流的概念
- TCP提供的是一个面向字节流的数据传输方式，数据被看作是无边界的字节流，而不是分段的消息。
- 这意味着发送方的数据可以被接收方按照任意大小的块进行接收。
使用send()和recv()等相关函数进行数据传输
- send(socket, buffer, size, flags)：将数据从缓冲区发送到连接的套接字。
- recv(socket, buffer, size, flags)：从连接的套接字接收数据并存储到缓冲区。
处理粘包和拆包问题
- 粘包（Packet Pawning）：多个发送的小数据包被接收方当作一个大数据包处理。
- 拆包（Packet Splitting）：一个发送的大数据包被接收方分割成多个小数据包处理。
- 解决方案包括消息边界标记、固定长度消息和长度字段等方法。

III. 多路复用

A. 多路复用机制介绍

select()、poll()和epoll()等多路复用机制概述
- 多路复用允许单个进程处理多个连接，提高系统的并发性能。
- select()：基于轮询的机制，效率较低。
- poll()：改进的select()，支持更多的文件描述符，但仍有限。
- epoll()：Linux特有的高性能多路复用机制，支持水平触发和边缘触发。
多路复用的优势和适用场景
- 通过单一的系统调用来监视多个文件描述符，提高效率。
- 适用于大量的并发连接，如服务器需要同时处理多个客户端请求。

通过代码示例演示多路复用的基本用法

示例代码（使用epoll()）：

// 创建epoll实例
int epoll_fd = epoll_create1(0);

// 将套接字添加到epoll监视列表
struct epoll_event event; 
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = server_socket;
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, server_socket, &event);

while (1) {
    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
    int ready_fds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);

    for (int i = 0; i < ready_fds; ++i) {
        if (events[i].data.fd == server_socket) {
            // 处理新的客户端连接
            // ...
        } else {
            // 处理已连接客户端的数据
            // ...
        }
    }
}

B. select()函数详解

select()函数的使用方法和参数
- select(max_fd + 1, &read_fds, &write_fds, &except_fds, &timeout)：监视文件描述符的可读、可写和异常情况。
阻塞和非阻塞模式的区别
- 阻塞模式：调用select()后，会一直等待直到有文件描述符就绪。
- 非阻塞模式：通过设置非阻塞标志，select()调用会立即返回，无论文件描述符是否就绪。
错误处理和超时设置
- 返回值小于0表示发生错误，可以通过errno获取错误信息。
- 超时设置通过timeout参数实现，允许程序定时检查文件描述符的状态。

C. poll()函数详解

poll()函数的使用方法和参数
- poll(struct pollfd fds[], nfds, timeout)：监视一组文件描述符的可读、可写和异常情况。
与select()的比较优势
- poll()没有文件描述符数的限制，更适用于大规模的并发连接。
处理大量文件描述符的效率
- 采用数组结构，通过revents字段判断文件描述符的状态，效率相对较高。

D. epoll()函数详解

epoll()函数的使用方法和参数
- epoll_create1(flags)：创建一个epoll实例，epoll_ctl()用于添加、修改和删除文件描述符，epoll_wait()等待文件描述符就绪。
边缘触发和水平触发模式的区别
- 边缘触发：只在状态变化时通知一次，需要使用非阻塞模式处理文件描述符。
- 水平触发：在状态保持的情况下会持续通知。
高效处理大量并发连接的方法
- 通过事件驱动的方式，只关注活跃的文件描述符，避免遍历整个文件描述符集合。
- 使用EPOLLET标志开启边缘触发模式，提高效率。

IV. 实际应用案例

A. 开发一个简单的TCP服务器和客户端

1. TCP服务器

服务器端伪代码

// 创建服务器套接字
int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);          

// 绑定服务器地址
struct sockaddr_in server_address;
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_address.sin_port = htons(PORT);
bind(server_socket, (struct sockaddr*)&server_address, sizeof(server_address));

// 监听连接请求
listen(server_socket, BACKLOG);

// 接受客户端连接
int client_socket = accept(server_socket, NULL, NULL);

// 接收和处理客户端数据
char buffer[BUFFER_SIZE];
recv(client_socket, buffer, BUFFER_SIZE, 0);

// 发送数据给客户端
send(client_socket, "Hello, client!", strlen("Hello, client!"), 0);

// 关闭连接
close(client_socket);
close(server_socket);

服务器端流程图

2. TCP客户端

客户端伪代码

// 创建客户端套接字
int client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);             

// 设置服务器地址
struct sockaddr_in server_address;
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
server_address.sin_port = htons(PORT);

// 连接到服务器
connect(client_socket, (struct sockaddr*)&server_address, sizeof(server_address));

// 发送数据给服务器
send(client_socket, "Hello, server!", strlen("Hello, server!"), 0);

// 接收服务器响应
char buffer[BUFFER_SIZE];
recv(client_socket, buffer, BUFFER_SIZE, 0);

// 处理服务器响应
printf("Server response: %s\n", buffer);

// 关闭连接
close(client_socket);