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论传输层的TCP协议和UDP协议scoket通讯

news 来源：原创 2025/9/1 11:57:49

TCP传输前需要三次握手---断开需要四次挥手

谁先发出请求、谁是客户端（client）另一个就是服务器（server）---简称CS架构

现在更多的是BS架构

什么是BS架构？

blower server 浏览器+服务器---也就是浏览器代替了客户端

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是互联网中两种最常用的传输层协议，它们在数据传输方式、可靠性和适用场景上有显著区别。以下是它们的对比和关键特性：

socket通讯：socket套接字可以理解为就是程序之间“打电话”的工具，一个负责接电话（服务端），一个负责打电话（客户端），用 IP 和端口找到对方，用 TCP 或 UDP 决定聊天方式。

TCP/UDP

1. 连接状态

TCP：面向连接的协议。
UDP：无连接的协议。
- 直接发送数据包，无需预先建立连接。
- 不保证接收端是否成功接收数据。

2. 可靠性

TCP：
- 提供可靠传输：通过确认应答（ACK）、超时重传、错误校验和数据包排序机制确保数据完整有序。
- 适用于不允许数据丢失的场景（如文件传输、网页加载）。
UDP：
- 不可靠传输：不保证数据包是否到达、是否按序到达，也不处理丢包或重复包。
- 适用于能容忍少量数据丢失的场景（如实时视频、语音通话）。

3. 流量控制与拥塞控制

TCP：
- 通过滑动窗口机制动态调整发送速率，避免接收方缓冲区溢出。
- 采用拥塞控制算法（如慢启动、拥塞避免）防止网络过载。
UDP：
- 无流量控制和拥塞控制机制，可能因发送速率过快导致网络拥塞或丢包。

4. 传输速度与效率

TCP：
- 由于建立连接、确认应答、重传等机制，传输速度较慢，延迟较高。
- 头部较大（20字节+可选字段），额外开销较多。
UDP：
- 传输速度快，延迟低，适合实时应用。
- 头部固定为8字节，结构简单，传输效率高。

5. 数据顺序

TCP：保证数据按发送顺序到达接收端。
UDP：不保证数据顺序，接收端可能需要自行排序。

6. 应用场景

TCP的典型应用：
- 需要可靠传输的场景：HTTP/HTTPS（网页）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件）、数据库连接。
- 长连接通信：如SSH远程登录、实时聊天（如微信文字消息）。
UDP的典型应用：
- 实时性要求高的场景：视频会议（Zoom、Teams）、在线游戏（如MOBA、FPS）、流媒体（直播、IPTV）。
- 广播/多播：DNS查询、DHCP、物联网传感器数据。
- 简单查询：如NTP（时间同步）、SNMP（网络管理）。

7. 协议头部对比

特性	TCP头部（20-60字节）	UDP头部（8字节）
关键字段	源端口、目的端口、序列号、确认号、窗口大小、校验和等	源端口、目的端口、长度、校验和
控制信息	包含多种控制标志（如SYN、ACK、FIN）	无控制标志

总结：如何选择？

选TCP：需要数据可靠、完整、有序到达（如文件传输、网页加载）。
选UDP：追求低延迟、能容忍少量丢包（如实时音视频、游戏）。

扩展知识

QUIC协议：基于UDP的改进协议（如HTTP/3），在UDP上实现了类似TCP的可靠性，同时减少延迟。
应用层可靠性：某些UDP应用（如VoIP）会在应用层实现部分可靠性机制（如丢包重传）。

socket

Socket（套接字） 是计算机网络中实现进程间通信（IPC）的核心编程接口，本质上是操作系统内核提供的抽象通信端点。它基于 IP 协议栈，为应用层提供统一的网络通信能力，支持不同主机或同一主机内的进程交换数据。以下是专业角度的详细解释：

1. socket核心定义

技术本质：
Socket 是操作系统内核管理的通信端点（Endpoint），由以下要素唯一标识：
- IP 地址（IPv4/IPv6）：标识主机或网络接口。
- 端口号（Port）：标识主机内的进程（0~65535）。
- 协议类型（TCP/UDP）：决定数据传输方式。
标准化：
- 遵循 Berkeley Socket API（BSD Socket）规范，被 POSIX 标准采纳。
- 主流操作系统（Linux、Windows、macOS）均提供兼容实现。

2. Socket 类型

类型	协议	特性
流式套接字（SOCK_STREAM）	TCP	面向连接、可靠传输、字节流式数据、全双工通信。
数据报套接字（SOCK_DGRAM）	UDP	无连接、不可靠传输、数据报边界保留、支持广播/多播。
原始套接字（SOCK_RAW）	ICMP/IP 等	直接访问底层协议（需特权权限），用于网络探测或自定义协议实现。

3. Socket API 关键函数

函数	作用
`socket()`	创建套接字，指定协议族（AF_INET/AF_INET6）、类型（SOCK_STREAM 等）。
`bind()`	将套接字绑定到本地 IP 和端口（服务端必选）。
`listen()`	设置 TCP 服务端为监听状态，等待连接请求。
`accept()`	接受 TCP 客户端连接，返回新套接字用于数据通信。
`connect()`	TCP 客户端主动连接服务端；UDP 客户端可设置默认目标地址。
`send()/recv()`	TCP 数据收发（面向字节流）。
`sendto()/recvfrom()`	UDP 数据收发（面向数据报）。
`close()/shutdown()`	关闭套接字或指定方向的通信。

4. Socket 编程流程

TCP 服务端示例

plaintext

socket() → bind() → listen() → accept() → recv()/send() → close()↑+---- 阻塞等待客户端连接

TCP 客户端示例

plaintext

socket() → connect() → send()/recv() → close()

UDP 通信示例（无连接）

plaintext

服务端：socket() → bind() → recvfrom()/sendto()
客户端：socket() → sendto()/recvfrom()

5. 关键机制

网络字节序与主机字节序

问题：不同 CPU 架构可能使用不同字节序（大端/小端）。
解决：
- 统一使用 网络字节序（大端） 传输数据（如 IP 地址、端口号）。
- 使用转换函数：htonl(), htons(), ntohl(), ntohs()。

地址结构体

IPv4：struct sockaddr_in（含 sin_family, sin_port, sin_addr）。
IPv6：struct sockaddr_in6。
通用地址结构：struct sockaddr（用于函数参数类型统一）。

同步与异步 I/O

阻塞式 Socket：默认模式，调用函数（如 recv()）会阻塞线程直到完成。
非阻塞式 Socket：通过 fcntl() 或 ioctl() 设置，函数立即返回错误码（EAGAIN/EWOULDBLOCK）。
多路复用：通过 select(), poll(), epoll()（Linux）或 kqueue()（BSD）管理多个 Socket。

6. 错误处理

常见错误码：
- ECONNREFUSED：连接被拒绝（目标端口无监听）。
- ETIMEDOUT：连接超时。
- EAGAIN/EWOULDBLOCK：非阻塞模式下资源暂不可用。
应对策略：
- 检查系统调用返回值，结合 errno 判断错误类型。
- 使用 perror() 或 strerror() 输出错误信息。

7. 典型应用场景

TCP 用例：
- Web 服务器（HTTP/HTTPS）、数据库连接（MySQL）、邮件传输（SMTP）。
- 长连接应用（如 WebSocket、实时消息系统）。
UDP 用例：
- DNS 查询、NTP 时间同步、VoIP（如 SIP 协议）。
- 实时音视频流（RTP/RTCP）、物联网传感器数据上报。

8. 扩展知识

跨平台兼容性：
- Windows 使用 Winsock API（需初始化 WSAStartup()）。
- Linux/Unix 原生支持 BSD Socket。
高性能优化：
- 使用 epoll（Linux）或 kqueue（BSD）实现高并发。
- 零拷贝技术（如 sendfile()）、Socket 缓冲区调优。
安全性：
- 通过 TLS/SSL（如 OpenSSL）加密 Socket 通信。
- 防止常见攻击（SYN Flood、DDoS）。

总结

Socket 是网络编程的基石，其设计抽象了底层协议复杂性，使开发者能够通过统一 API 实现跨网络的进程通信。理解 Socket 的工作原理、协议特性和系统调用，是构建高性能、可靠网络应用的关键。

TCP/UDP

​1. 连接状态

​2. 可靠性

​3. 流量控制与拥塞控制

​4. 传输速度与效率

​5. 数据顺序

​6. 应用场景

​7. 协议头部对比

​总结：如何选择？

​扩展知识

socket

​1. socket核心定义

​2. Socket 类型

​3. Socket API 关键函数

​4. Socket 编程流程

​TCP 服务端示例

​TCP 客户端示例

​UDP 通信示例（无连接）​

​5. 关键机制

​网络字节序与主机字节序

​地址结构体

​同步与异步 I/O

​6. 错误处理

​7. 典型应用场景

​8. 扩展知识

​总结

相关文章：

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3. 流量控制与拥塞控制

4. 传输速度与效率

5. 数据顺序

6. 应用场景

7. 协议头部对比

总结：如何选择？

扩展知识

1. socket核心定义

2. Socket 类型

3. Socket API 关键函数

4. Socket 编程流程

TCP 服务端示例

TCP 客户端示例

UDP 通信示例（无连接）

5. 关键机制

网络字节序与主机字节序

地址结构体

同步与异步 I/O

6. 错误处理

7. 典型应用场景

8. 扩展知识

总结