Linux基础-socket详解、TCP/UDP

2024 年 05 月 04 日

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Linux系统下的套接字（Socket）编程是网络通信的核心技术之一，它允许不同计算机上的进程通过网络进行数据交换。Socket编程主要基于传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）这两种传输层协议，每种协议都有其独特的特性和应用场景。

TCP（Transmission Control Protocol）

TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议。在TCP连接中，双方在数据传输前必须经历三次握手建立连接，确保通信双方准备好进行数据交换，并且在传输结束后执行四次挥手断开连接，保证资源的正确释放。

三次握手：客户端发送SYN包到服务器，请求建立连接；服务器收到SYN包后回复SYN+ACK包，确认客户端的请求并要求客户端确认；最后客户端发送ACK包，确认连接建立。
四次挥手：任何一方发起FIN包请求断开连接；对方收到FIN后回复ACK确认；对方准备关闭连接时也发送FIN；最后收到对方的ACK，完成连接关闭。

TCP通过序列号和确认应答机制保证数据包的可靠传输，同时利用重传机制处理丢包情况，以及流量控制和拥塞控制来调整数据发送速率，确保网络的稳定性和高效性。适用于需要高可靠性但不特别强调实时性的应用，如HTTP、HTTPS、FTP等。

UDP（User Datagram Protocol）

UDP则是一种无连接的、不可靠的、基于数据报的通信协议。它不提供复杂的错误检测和纠正机制，数据包一旦发出，就无法保证是否到达目的地，也不会进行重传。每个UDP数据报都是独立发送的，无需预先建立连接。

尽管UDP缺乏TCP的可靠性保障，但它具有较低的传输延迟，适用于那些对实时性要求较高而能容忍一定丢包率的应用场景，比如在线视频会议、游戏、DNS查询等。

Socket编程基础

在Linux环境下进行Socket编程，主要涉及以下几个步骤：

创建Socket：使用 socket()系统调用创建Socket，需要指定地址族（如AF_INET表示IPv4）、类型（SOCK_STREAM用于TCP，SOCK_DGRAM用于UDP）和协议（一般为0，让系统自动选择合适的协议）。
绑定地址：通过 bind()函数将Socket与本地IP地址和端口号绑定，以便接收来自特定地址的数据。
监听连接（仅限TCP）：对于TCP服务端，使用 listen()设置最大等待连接数，进入监听状态。
接受连接（仅限TCP）：服务端通过 accept()阻塞等待客户端连接，并为每个连接创建新的Socket。
连接服务器（仅限TCP）：客户端使用 connect()主动与服务器建立连接。
数据收发：无论TCP还是UDP，都可以使用 sendto()、recvfrom()进行数据发送和接收。TCP还可以使用 read()、write()等更高级别的I/O操作。
关闭Socket：通信完毕后，通过 close()关闭Socket，释放资源。

实例简述

假设我们要编写一个简单的UDP数据发送程序：

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

int main() {
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock < 0) {
        perror("Failed to create socket");
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(12345); // 目标端口
    inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &server_addr.sin_addr); // 目标IP

    const char *msg = "Hello, UDP!";
    if (sendto(sock, msg, strlen(msg), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("Send failed");
        close(sock);
        return -1;
    }

    printf("Message sent successfully\n");
    close(sock);
    return 0;
}

这段代码展示了如何创建一个UDP Socket，设置目的地址，然后发送一条消息。请注意，实际应用中需要考虑错误处理和资源管理，以确保程序的健壮性。

综上所述，Linux下的Socket编程是网络通信的重要组成部分，通过灵活运用TCP和UDP协议，开发者能够构建出满足不同需求的网络应用程序。掌握这些基础知识，是进行更复杂网络编程任务的基石。