TCP与UDP

TCP与UDP的区别

一、TCP

服务端通信流程：

1. socket () 创建流式套接字；
2. bind () 绑定本机 IP 和端口；
3. listen () 设置监听，设置连接等待队列；
4. accept () 阻塞等待客户端连接，返回通信套接字；
5. recv/send 使用通信套接字收发数据；
6. close 关闭套接字，断开连接。

1.socket()创建套接字

int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

• 参数：
  • AF_INET：IPv4 协议
  • SOCK_STREAM：流式套接字 → TCP
  • 0：自动匹配 TCP 协议
• 作用：向内核申请一个套接字文件描述符，相当于拿到一根网线的端点。
• 返回值：成功返回 fd（>0）；失败 - 1

2.bind()绑定本机 IP 地址和端口号

struct sockaddr_in srv_addr; srv_addr.sin_family = AF_INET; srv_addr.sin_port = htons(8888); // 端口：主机序转网络字节序！ srv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // INADDR_ANY 绑定本机所有网卡IP bind(fd, (struct sockaddr *)&srv_addr, sizeof(srv_addr));

作用：告诉操作系统，这个 socket 要固定占用哪个 IP、哪个端口，客户端才知道去哪连接。

INADDR_ANY：0.0.0.0，表示本机所有网卡，不管客户端连本机哪个 IP 都能接收。

3.listen()开启监听

listen(fd, 5);

• 第一个参数：刚才创建的监听 socket fd
• 第二个参数：等待连接队列的最大长度（正在三次握手、排队等待 accept 的连接数量）
• 作用：把 socket 从普通套接字，变成监听套接字，告诉内核：我这个端口准备好接 TCP 连接了。

listen 之后这个 fd 只负责 “等连接”，不负责收发数据

4.accept()阻塞等待客户端连接

int connfd = accept(fd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &len);

• 阻塞函数：没有客户端来连接的时候，程序卡在这里不动。
• 成功后：返回一个全新的文件描述符 connfd！
  • fd：监听套接字，继续监听下一个客户端
  • connfd：专门和连接的客户端通信的套接字，收发数据全用它

listen 的 fd 是用于监听的“接待前台”；accept 返回的 connfd 是单独通信客户端的窗口。

5. 数据收发send()/recv()

recv(connfd, buf, sizeof(buf), 0); // 读客户端发来的数据 send(connfd, buf, strlen(buf), 0); // 发给客户端

• 读写都是用connfd，不是 listen 的 fd！
• TCP 是字节流，存在粘包问题（多次发送的数据粘在一起），应用层自己处理分包。

6.close()关闭套接字

1. 先close(connfd)：断开和当前客户端的 TCP 连接，触发四次挥手
2. 服务程序退出时close(fd)：关闭监听套接字，释放端口

客户端通信流程：

1. socket () 创建流式套接字；
2. connect () 指定服务器地址端口，发起连接（三次握手）；
3. send/recv 和服务器通信；
4. close 关闭套接字。

1.socket()创建套接字

和服务器一模一样，拿到一个 socket fd。

2.connect()主动发起 TCP 连接

struct sockaddr_in srv_addr; srv_addr.sin_family = AF_INET; srv_addr.sin_port = htons(8888); srv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.100"); // 服务器IP connect(fd, (struct sockaddr *)&srv_addr, sizeof(srv_addr));

作用：向服务器发送连接请求，底层自动完成TCP 三次握手。

客户端一般不需要 bind：操作系统自动给客户端分配随机的源端口。

3.send() / recv()和服务器双向收发数据

客户端直接用自己这个 fd 收发，不需要新 fd。

4.close(fd)关闭套接字，断开连接，四次挥手

TCP 建立连接：三次握手

服务端已经执行完socket() → bind() → listen()，内核创建半连接、全连接两个队列，准备接收连接。

• connect：触发握手，阻塞等待握手完成才返回（默认阻塞 socket）
• accept：完全不参与握手，只去全连接队列拿已经建好的连接，返回通信文件描述符；如果全连接队列为空，accept 就阻塞等待。

握手整个报文流程，都是操作系统内核 TCP 模块做的，不是这两个函数里面写 send 发包。

第 1 次握手：客户端 → 服务端，SYN + seq

客户端调用 connect()，内核挑选一个本机空闲的源端口向外发送 SYN 报文，SYN=1：同步标志，请求建立连接；携带客户端初始序列号 seq = x
客户端开启 SYN 重传定时器： SYN 丢失，超时自动重传
客户端状态：SYN_SENT（同步已发送）

第 2 次握手：服务端 → 客户端，SYN + seq、ACK +ack

服务端收到 SYN报文：把这条连接放入半连接队列，服务端状态切换为 SYN_RCVD（同步收到）
服务端内核自动回复 SYN+ACK：我收到你的连接请求，我同意建立连接，我的起始序列号是 y。

• SYN：服务端自己的初始序列号 seq=y
• ACK 确认号：ack = x + 1，我收到了你 seq=x 的 SYN 报文

开启半连接超时定时器（超时收不到 ACK，内核删除半连接队列里这条记录）

第 3 次握手：客户端 → 服务端，ACK

客户端收到 SYN+ACK：清除刚才的 SYN 重传定时器，客户端状态更新为 ESTABLISHED已连接
回复 ACK 报文，ack = y + 1，seq = x + 1：确认收到服务器的 SYN 同步报文，收到序列号 y 确认同意建立TCP 连接。

服务端收到 ACK 后，清除半连接超时定时器，连接从半连接队列移出，放入全连接队列，等待 accept 取出。

TCP 断开连接：四次挥手

TCP 是全双工通信：两个传输方向是独立的。一个方向关闭，不代表另一个方向不能继续传数据。客户端主动发起关闭（谁调用 close，谁先发 FIN）初始状态：客户端、服务端都处于ESTABLISHED，正常收发数据。

客户端（主动关闭方）状态流转

• ESTABLISHED → 发 FIN →FIN_WAIT_1（客户端发了 FIN，等待服务端对这个 FIN 的 ACK）
• 收到服务端 ACK →FIN_WAIT_2（客户端收到 ACK，等待服务端发来 FIN）
• 收到服务端 FIN → 回复 ACK →TIME_WAIT（等待 2MSL）→ CLOSED（客户端收到对方 FIN、并且回完 ACK，等待一段时间收尾）

服务端（被动关闭方）

• ESTABLISHED → 收到 FIN → 回复 ACK →CLOSE_WAIT（服务端知道客户端不发数据了，服务端此时还可以继续发自己剩下的数据）
• 服务端数据发完、调用 close，发送 FIN →LAST_ACK（服务端发出 FIN，等待客户端最后的 ACK）
• 收到客户端最后的 ACK → CLOSED

第 1 次挥手：客户端 → 服务端，FIN=1，seq=u

客户端调用close()，不再向外发送数据，发送 FIN 报文。
客户端状态变化：ESTABLISHED → FIN_WAIT_1
我已经发出关闭方向的请求了，正在等服务器对这个 FIN 的 ACK 确认包

第 2 次挥手：服务端 → 客户端，ACK=1，seq=v，ack=u+1

服务端收到 FIN，回复 ACK 确认收到关闭请求。
服务端状态：ESTABLISHED → CLOSE_WAIT
客户端收到这个 ACK：FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2
服务器知道客户端不发数据；客户端等服务器这边发 FIN(服务器告诉客户端同样不发数据)

半关闭状态：客户端不能再发数据；但是服务端仍然可以继续向客户端发送剩下的数据！
这个ACK 只能确认收到关闭请求，服务端还有数据要发，不能立刻发 FIN，所以 ACK 和 FIN 不能合并。

第 3 次挥手：服务端 → 客户端，FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1

等服务端把剩余数据全部发送完毕，调用close()，发送 FIN 报文，表示服务端这边也没有数据要发送了。
服务端状态：CLOSE_WAIT → LAST_ACK
客户端收到这个 FIN：FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT

第 4 次挥手：客户端 → 服务端，ACK=1，seq=u+1，ack=w+1

客户端回复 ACK 确认收到服务端的 FIN。

1. 服务端收到这个 ACK：直接进入 CLOSED，连接消失
2. 客户端进入 TIME_WAIT 状态，必须等待 2MSL 之后，才变成 CLOSED

二、UDP

UDP 服务器流程

1.socket()创建数据报套接字，SOCK_DGRAM= 数据报，代表 UDP

int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

2.bind()绑定固定 IP + 端口

服务器必须 bind，客户端一般不用：固定端口，让客户端知道往哪个端口发数据

3.recvfrom()阻塞等待接收客户端发来的数据

调用 recvfrom 阻塞接收客户端报文，同时获取客户端地址：数据 + 发送方的地址结构（客户端 IP、端口）

4.sendto()向刚才拿到的客户端地址发回复数据

5. 循环 recvfrom /sendto

6.close(fd)关闭套接字

服务器可以源源不断接收不同客户端的数据，天然支持一对多通信（广播、组播）

UDP 客户端流程

1. socket()创建 UDP 套接字
2. sendto()直接发给服务器 IP + 端口，不需要提前连接
3. recvfrom()接收服务器回复
4. close()

拓展：UDP 也可以调用 connect ()！

注意：UDP 的 connect不会产生握手报文，只是在内核中记录对方的地址，之后就可以直接用 send /recv，不用每次都传地址；本质只是 “绑定对端地址”，不是建立连接。

注意：

recvfrom 输出参数会拿到发送者地址（通信）：

• UDP 是无连接通信，内核不会维护 socket 和对端的绑定关系，同一个 UDP 套接字可以接收来自多个不同客户端的数据。
• recvfrom通过输出参数拿到数据包的发送者地址，应用层拿到该地址后，才能使用 sendto 定向回复数据；（UDP 的 connect 只是固定对端地址，不握手、不建立连接）

UDP 支持广播、组播；UDP 不存在半连接队列、全连接队列。

UDP的三种通信模式

1.单播

一对一通信，数据包从一个源地址发给唯一的一个目标地址，是普通 UDP 通信，也是 TCP 唯一支持的模式。

1. 应用层：sendto()发数据；recvfrom()接收，拿到发送方地址
2. 传输层：封装 UDP 头部（源端口、目的端口、校验和）；无连接
3. 网络层：封装 IP 头部，目标 IP 是普通单播 IP（如 192.168.1.100）；查路由，选下一跳
4. 数据链路层：通过 ARP 解析目标 IP 对应的单播 MAC 地址，封装以太网帧，发给指定主机

特点： 只发给指定一台主机；路由器可以跨网段转发单播包。

2.广播

一对所以，数据包发给同一个局域网内全部主机

广播只能在同一个局域网（子网）传播，默认路由器不转发广播包（防止全网风暴）

1. 应用层
   • 发送端：必须先用setsockopt开启SO_BROADCAST选项，否则 sendto 发广播地址会报错！
   • 然后sendto()，目标 IP 填广播地址：
     • 有限广播：255.255.255.255（只能本子网，路由器绝不转发）
     • 定向广播：比如192.168.1.255（部分路由器支持跨子网，一般禁用）
   • 接收端：不需要额外加入什么组，只要绑定对应端口，监听这个端口就能收到广播包
2. 传输层：封装 UDP 头部，目标端口是广播监听端口
3. 网络层：IP 头部目标 IP = 广播地址
4. 数据链路层：目的 MAC 是广播 MAC：FF:FF:FF:FF:FF:FF交换机收到这个帧，会把包泛洪转发给本网段所有端口

特点：

• 同一子网内所有主机网卡都会收到这个帧，交给内核判断端口是否监听
• 开销大，容易产生广播风暴，局域网谨慎使用

组播（多播）

一对多，发给一个组播组，只有加入这个组的成员主机才能接收

组播 IP 是 D 类 IP：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255

1. 应用层
   • 发送端：直接 sendto 往组播 IP发数据，发送端不需要加入组！
   • 接收端：必须调用setsockopt设置IP_ADD_MEMBERSHIP，加入组播组，才可以收到这个组的数据
2. 传输层：封装 UDP 头部，目标端口为组播监听端口，不需要提前建立连接
3. 网络层：目标 IP 是 D 类组播地址；依靠 IGMP 协议，告诉路由器：本网段有主机加入了这个组播组；路由器维护组播成员列表，只向存在组成员的子网转发组播包
4. 数据链路层：组播 IP 映射成以太网组播 MAC（固定前缀01:00:5e开头）；交换机复制数据包，只转发给加入该组的端口

和广播最大区别： 广播 = 子网里所有主机都收到包，只是应用层不监听就丢弃； 组播 =只有主动加入这个组的主机，才会接收这个组的数据包，路由器 / 交换机按需分发，不会无脑泛洪，效率更高。

setsockopt 函数

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

逐个参数解释：

1. sockfd：要配置的套接字 fd（UDP 套接字）
2. level：选项层级
   • SOL_SOCKET：套接字层选项，比如SO_BROADCAST（开启套接字的广播发送权限，发广播必须开这个）、SO_REUSEADDR（端口复用，服务端快速重启，解决 TIME_WAIT 占用端口问题）
   • IPPROTO_IP：IP 层选项，比如IP_ADD_MEMBERSHIP（让本机加入指定组播组，接收组播数据）
3. optname：选项名字（要开启 / 设置的功能）
4. optval：存放参数值的指针，比如开启广播就传 &on（on=1 打开，0 关闭）
5. optlen：optval 这个变量的字节长度 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1