TCP和UDP的通信詳細資料總結
一、什么是socket？
Socket的英文原義是“孔”或“插座”。在編程中，Socket被稱做套接字，是網絡通信中的一種約定。Socket編程的應用無處不在，我們平時用的QQ、微信、瀏覽器等程序，都與Socket編程有關。我們平時使用瀏覽器查資料，這個過程的技術原理是怎樣的呢？
我們平時使用瀏覽器，大致就是這樣的一個過程。這里有兩個重要的名詞：服務端與客戶端。
Socket編程的目的就是如何實現這兩端之間的通信。
1、Socket編程在嵌入式中也很重要
Socket編程不僅僅在互聯網方面很重要，在我們的嵌入式方面也是非常的重要，因為現在很多電子設備都趨向于聯網。比如很多嵌入式工作的招聘要求都會有這一條要求：
說一點題外話，還在學校的朋友，如果感覺到很迷茫，不知道學什么的時候，可以上招聘網站上看看自己未來工作相關的職位的任職要求，這樣就可以總結自己的一些不足、比較有針對性的去學習。
二、Socket編程中的幾個重要概念
Socket編程用于解決我們客戶端與服務端之間通信的問題。我們平時多多少少都有聽過IP地址、端口、TCP協議、UDP協議等概念，這些都與Socket編程中相關，想要知道怎么用起來，當然得先了解它們的一些介紹。下面看一下這些專業術語的一些要點介紹：
1、什么是IP地址？
IP地址（Internet Protocol Address）是指互聯網協議地址，又譯為網際協議地址。IP地址被用來給Internet上的電腦一個編號。我們可以把“個人電腦”比作“一臺電話”，那么“IP地址”就相當于“電話號碼”。若計算機1知道計算機2的IP地址，則計算機1就能訪問計算機2。
IP地址是一個32位的二進制數，通常被分割為4個“8位二進制數”（也就是4個字節）。IP地址通常用點分十進制表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之間的十進制整數。例：點分十進IP地址（100.4.5.6），實際上是32位二進制數（01100100.00000100.00000101.00000110）。
IP地址有IPv4與IPv6之分，現在用得較多的是IPv4。其中，有一個特殊的IP地址需要我們記住：127.0.0.1，這是回送地址，即本地機，一般用來測試使用。后邊我們的實例中會用到。
關于IP地址還有很多知識要點，但是對于在Socket編程中的應用，我們暫且知道這么多就可以。
2、什么是TCP/IP端口？
上一點中我們提到，若計算機1知道計算機2的IP地址，則計算機1就能訪問計算機2。但是，我們要訪問計算機2中的不同的應用軟件，則還得需要一個信息：端口。端口使用16bit進行編號，即其范圍為：0~65536。但0~1023 的端口一般由系統分配給特定的服務程序，例如 Web 服務的端口號為 80，FTP 服務的端口號為 21等。
3、什么是協議？
協議（Protocol）是通信雙方進行數據交互的一種約定。如TCP、UDP協議：
（1）TCP協議
TCP（Transmission Control Protocol 傳輸控制協議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議，數據可以準確發送，數據丟失會重發。TCP協議常用于web應用中。
TCP連接（三次握手）
TCP傳輸起始時，客戶端、服務端要完成三次數據交互工作才能建立連接，常稱為三次握手。可形象比喻為如下對話：
客戶端：服務端您好，我有數據要發給你，請求您開通訪問權限。
服務端：客戶端您好，已給您開通權限，您可以發送數據了。
客戶端：收到，謝謝。
具體示意圖為：
這里的SYN和ACK是都是標志位，其中SYN代表新建一個連接，ACK代表確認。其中m、n都是隨機數。具體說明如：
第一次握手：SYN標志位被置位，客戶端向服務端發送一個隨機數m。
第二次握手：ACK、SYN標志位被置位。服務端向客戶端發送m+1表示確認剛才收到的數據，同時向客戶端發送一個隨機數n。
第三次握手：ACK標志被置位。客戶端向服務端發送n+1表示確認收到數據。
TCP斷開（四次揮手）
TCP斷開連接時，客戶端、服務端要完成四次數據交互工作才能建立連接，常稱為四次揮手。可形象比喻為如下對話：
客戶端：服務端您好，我發送數據完畢了，即將和您斷開連接。
服務端：客戶端您好，我稍稍準備一下，再給您斷開
服務端：客戶端您好，我準備好了，您可以斷開連接了。
客戶端：好的，合作愉快！
具體示意圖為：
這里的FIN也是一個標志位，代表斷開連接。具體說明類似三次握手。
為什么建立連接只需要三次數據交互，而斷開連接需要四次呢？
建立連接時，服務端在監聽狀態下，收到建立連接請求的SYN報文后，把ACK和SYN放在一個報文里發送給客戶端。
而關閉連接時，當收到對方的FIN報文時，僅僅表示對方不再發送數據了但是還能接收數據，己方也未必全部數據都發送給對方了，所以己方可以立即close，也可以發送一些數據給對方后，再發送FIN報文給對方來表示同意現在關閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會分開發送。
（2）UDP協議
UDP（User Datagram Protocol， 用戶數據報協議）是一種無連接的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務，可以保證通訊效率，傳輸延時小。例如視頻聊天應用中用的就是UDP協議，這樣可以保證及時丟失少量數據，視頻的顯示也不受很大影響。
4、什么是協議族？
協議族是多個協議的統稱。比如我們的TCP/IP協議族，其不僅僅是TCP協議、IP協議，而是多個協議的集合，其包含IP、TCP、UDP、FTP、SMTP等協議。
1、Linux下的socket API接口
（1）創建socket：socket()函數
函數原型：
int socket(int af, int type, int protocol);
af參數：af 為地址族（Address Family），也就是 IP 地址類型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6，其前綴也可以是PF（Protocol Family），即PF_INET 和 PF_INET6。
type參數：type 為數據傳輸方式，常用的有 面向連接（SOCK_STREAM）方式（即TCP） 和 無連接（SOCK_DGRAM）的方式（即UDP）。
protocol參數：protocol 表示傳輸協議，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分別表示 TCP 傳輸協議和 UDP 傳輸協議。
使用示例：
創建TCP套接字：
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
創建UDP套接字：
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
（2）綁定套接字：bind()函數
函數原型：
int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sock參數：sock 為 socket 文件描述符。
addr參數：addr 為 sockaddr 結構體變量的指針。
addrlen參數：addrlen 為 addr 變量的大小，可由 sizeof() 計算得出。
使用示例：
將創建的套接字ServerSock與本地IP127.0.0.1、端口1314進行綁定：
/* 創建服務端socket */int ServerSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);/* 設置服務端信息 */struct sockaddr_in ServerSockAddr;memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr)); // 給結構體ServerSockAddr清零ServerSockAddr.sin_family = PF_INET; // 使用IPv4地址ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");// 本機IP地址ServerSockAddr.sin_port = htons(1314); // 端口/* 綁定套接字 */bind(ServerSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR));
其中struct sockaddr_in類型的結構體變量用于保存IPv4的IP信息。若是IPv6，則有對應的結構體：
struct sockaddr_in6 { sa_family_t sin6_family; // 地址類型，取值為AF_INET6 in_port_t sin6_port; // 16位端口號 uint32_t sin6_flowinfo; // IPv6流信息 struct in6_addr sin6_addr; // 具體的IPv6地址 uint32_t sin6_scope_id; // 接口范圍ID};
（3）建立連接：connect()函數
函數原型：
int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
參數與bind()的參數類似。
使用示例：
int ClientSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);connect(ClientSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR));
（4）監聽：listen()函數
函數原型：
int listen(int sock, int backlog);
sock參數：sock 為需要進入監聽狀態的套接字。
backlog參數：backlog 為請求隊列的最大長度。
使用示例：
/* 進入監聽狀態 */listen(ServerSock, 10);
（5）接收請求：accept()函數
函數原型：
int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
sock參數：sock 為服務器端套接字。
addr參數：addr 為 sockaddr_in 結構體變量。
addrlen參數：addrlen 為參數 addr 的長度，可由 sizeof() 求得。
返回值：一個新的套接字，用于與客戶端通信。
使用示例：
/* 監聽客戶端請求，accept函數返回一個新的套接字，發送和接收都是用這個套接字 */int ClientSock = accept(ServerSock, (SOCKADDR*)&ClientAddr, &len);
（6）關閉：close()函數
函數原型：
int close(int fd);
fd：要關閉的文件描述符。
使用示例：
close(ServerSock);
（7）數據的接收和發送
數據收發函數有幾組：
read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()
函數原型：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
這里介紹一下recv()/send()、recvfrom()/sendto()。
recv()函數：
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
sockfd參數：sockfd為要接收數據的套接字。
buf參數：buf 為要接收的數據的緩沖區地址。
len參數：len 為要接收的數據的字節數。
flags參數：flags 為接收數據時的選項，常設為0。
send()函數：
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
sockfd參數：sockfd為要發送數據的套接字。
buf參數：buf 為要發送的數據的緩沖區地址。
len參數：len 為要發送的數據的字節數。
flags參數：flags 為發送數據時的選項，常設為0。
recvfrom()函數：
ssize_t recvfrom(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockadr *from, socklen_t *addrlen);
sock：用于接收UDP數據的套接字；
buf：保存接收數據的緩沖區地址；
nbytes：可接收的最大字節數（不能超過buf緩沖區的大小）；
flags：可選項參數，若沒有可傳遞0；
from：存有發送端地址信息的sockaddr結構體變量的地址；
addrlen：保存參數 from 的結構體變量長度的變量地址值。
sendto()函數：
ssize_t sendto(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);
sock：用于傳輸UDP數據的套接字；
buf：保存待傳輸數據的緩沖區地址；
nbytes：帶傳輸數據的長度（以字節計）；
flags：可選項參數，若沒有可傳遞0；
to：存有目標地址信息的 sockaddr 結構體變量的地址；
addrlen：傳遞給參數 to 的地址值結構體變量的長度。
2、windows下的socket API接口
跟Linux下的差不多：
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen);int connect(SOCKET sock, const struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);int listen(SOCKET sock, int backlog);SOCKET accept(SOCKET sock, struct sockaddr *addr, int *addrlen); int closesocket( SOCKET s);int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);int recv(SOCKET sock, char *buf, int len, int flags);int recvfrom(SOCKET sock, char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockaddr *from, int *addrlen);int sendto(SOCKET sock, const char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockadr *to, int addrlen);
3、TCP、UDP通信的socket編程過程圖
（1）TCP通信socket編程過程
（2）UDP通信socket編程過程
四、socket的應用實例
1、基于TCP的本地客戶端、服務端信息交互實例
本例的例子實現的功能為：本地TCP客戶端往本地TCP服務端發送數據，TCP服務端收到數據則會打印輸出，同時把原數據返回給TCP客戶端。這個例子類似于我們在做單片機的串口實驗時，串口上位機往我們的單片機發送數據，單片機收到數據則把該數據原樣返回給上位機。
（1）windows的程序：
服務端程序tcp_server.c：
#include
客戶端程序tcp_client.c：
#include
我們上邊的IP地址概念那一部分中，有強調127.0.0.1這個IP是一個特殊的IP地址，這是回送地址，即本地機，一般用來測試使用。這個例子中我們就用到了。此外，端口我們設置為1314，這是隨意設置的，只要范圍在1024~65536之間就可以。
本文使用的是gcc編譯器編譯，編譯命令如下：
gcc tcp_client.c -o tcp_client.exe -lwsock32gcc tcp_server.c -o tcp_server.exe -lwsock32
這里必須要加-lwsock32這個參數用于鏈接windows下socket編程必須的winsock2這個庫。若是使用集成開發環境，則需要把wsock32.lib放在工程目錄下，并在我們代碼中#include
實驗現象：
先啟動服務端程序tcp_server.exe，再啟動客戶端程序tcp_client.exe，并在客戶端中輸入字符串，則當服務端會接收到字符串時會打印輸出，與此同時也會往客戶端返回相同的數據：
（2）Linux的程序：
在linux下，“一切都是文件”，所以這里我們的套接字也當做文件來看待。
服務端程序linux_tcp_server.c：
#include
客戶端程序linux_tcp_client.c：
#include
Linux下編譯就不需要添加-lwsock32參數：
gcc linux_tcp_server.c -o linux_tcp_servergcc linux_tcp_client.c -o linux_tcp_client
實驗現象：
在調試這份程序時，出現了綁定錯誤：
經上網查詢發現是端口重復使用，可以在調用bind()函數之前調用setsockopt()函數以解決端口重復使用的問題：
2、基于UDP的本地客戶端、服務端信息交互實例
（1）windows的程序
服務端程序udp_server.c：
#include
客戶端程序udp_client.c：
#include
（2）Linux下的程序
服務端程序linux_udp_server.c：
#include
客戶端程序linux_udp_client.c：
#include
實驗現象：
實驗現象如實例1。
五、總結
本筆記簡單介紹了一些與socket編程相關的一些知識點：IP地址，什么是端口，協議等。重點介紹了TCP、UDP通信的一些原理及其API接口的用法，并給出了windows和linux下的TCP、UDP通信實例。以上就是關于socket編程的一些總結，如有錯誤，歡迎指出！
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