TCP通信实现

前言

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于流的通信协议。它是互联网协议栈（TCP/IP）中的核心协议之一，主要用于保证在计算机网络中可靠地传输数据。

TCP通信的基本特点

面向连接：在发送数据之前，TCP要求通信双方（客户端和服务器）首先建立一个连接，这个过程被称为“三次握手”。连接建立后，数据才可以传输；数据传输完成后，需要释放连接（通过“四次挥手”关闭连接）。

可靠传输：TCP保证数据包的正确传输。通过序列号和确认号的机制，TCP能够检测丢包、乱序、重复等问题，并通过重传机制进行纠正，从而确保数据的完整性和顺序性。

基于流：TCP传输的数据没有消息边界，而是一个连续的数据流。数据可以按照任意大小进行发送和接收，应用层必须根据协议或约定来解析数据边界。

本小节我们先来实现TCP通信，然后再来细分TCP通信当中的一些细节问题，关于tcp的三次握手和四次挥手看这篇文章：http://t.csdnimg.cn/WWgfZ

一、实现TCP通信

服务器代码：

//实现TCP服务器文件
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<string.h>
#include<netinet/ip.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<pthread.h>
#include<fcntl.h>int main(int argc, const char *argv[])
{//1、创建套接字int listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(listenfd<0){printf("创建失败\n");return -1;}//2、绑定套接字//填写自己的地址信息，不是必要的struct sockaddr_in serveraddr;serveraddr.sin_family=AF_INET;serveraddr.sin_port=htons(8888);serveraddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.124.29");int bind_ret=bind(listenfd,(struct sockaddr *)&serveraddr,sizeof(serveraddr));if(bind_ret<0){printf("绑定失败\n");return -1;}//3、建立连接connect//监听套接字int listen_ret=listen(listenfd,10);if(listen_ret<0){perror("listen failed:");return -1;}//建立连接acceptint serverfd=accept(listenfd,NULL,NULL);if(serverfd<0){perror("accept failed:");return -1;}while(1){//接收数据char buf[100];int ret=recv(serverfd,buf,100,0);//读取数据发送回去buf[ret]='\0';int send_ret=send(serverfd,buf,strlen(buf),0);if(send_ret<0){perror("send failed:");return -1;}if(send_ret==0)break;}return 0;
}

然后我们使用网络调试器连接服务器：

网络调试器下载地址：通过网盘分享的文件：scomm.exe
链接: https://pan.baidu.com/s/1OkiZLT_CeoryEZepaOSGqQ 提取码: 8a85

如果出现绑定失败如下图：

不用紧张，我们下载号网络调试器之后双击运行；

连接完成之后，在调试器中发送你想要发送的内容，服务器接收到以后，会直接发送到客户端，也就是网络调试器中：

这样我们就完成了一个简单的TCP通信的实现过程

二、通信原理（网路传输的封包与拆包）

数据在通信过程中的传输我们可以这样来看：

数据经过多次的封装，然后再发送给服务器，再每一层的封装过程中，都会加入一个协议，这个协议帮助数据完整的传输（也就是在我们发送数据的时候加入了网络层-IP头（协议）、传输层-TCP头（TCP协议），网络接口层-帧头（MAC地址）这个就是封包过程，接收端做拆包过程）。下面我们就以TCP传输作为例子。

首先，在客户应用当中我们输入了数据，如上图中的流程图一样，在传输层加入了TCP头，在网络层加入了IP头，在网络接口层加入了MAC帧头，我们仔细来看这些头里面有什么数据。

三、通信过程中的头

上面我们提到了每层中都有协议，那么具体每个协议里面都有什么内容数据呢，本小节我们就来看看里面有什么数据，这里就要用到一个抓包软件wireshark,像自己抓包的小伙伴可以自己下载，

首先，我们打开wireshark这个软件

点击WIAN进入抓包

当我们实现上面TCP服务器的时候，会出现建立连接的过程

1.MAC帧

看图中左下角，我们打开第二行是内核空间封装的MAC帧头地址

里面的信息如下：目标MAC地址（Destination）、源MAC地址（Source）,type类型，type后面是十六进制的数，如图中是0X0800则表示只接收本机MAC地址的IPV4类型的数据帧

2. IP头

点击第三行中的数据，这是我们的IP头信息，在下图中可以看到我们使用的IPV4的版本，如下图左下角部分：

IPv4头部的标准长度为20字节，但它可以通过选项字段增加到60字节。以下是IPv4头的每个字段及其作用：

版本（Version）：4位

该字段指示IP协议的版本。对于IPv4，它的值是4；对于IPv6，它的值是6。这个字段帮助网络设备识别和处理不同版本的IP包。

首部长度（IHL，Internet Header Length）：4位

该字段表示IP头的长度，以32位字为单位。最小值是5（即20字节），如果有选项字段，它的值会更大。此字段用于确定IP头部的结束位置。

服务类型（Type of Service, ToS）：8位

该字段用于指示数据包的优先级和服务质量要求，包括延迟、吞吐量和可靠性等。它现在通常被称为“Differentiated Services Code Point (DSCP)”和“Explicit Congestion Notification (ECN)”字段，用于网络流量的优先级和拥塞通知。

总长度（Total Length）：16位

该字段表示整个IP数据包的长度，包括头部和数据部分，以字节为单位。最大值为65,535字节。这个字段用于接收端计算数据包的总长度并进行正确的解析。

标识（Identification）：16位

该字段用于唯一标识每一个IP数据包，用于分片和重组。当一个大的数据包被分片时，每个片段都有相同的标识，以便接收端能够将这些片段重新组装成完整的数据包。

标志（Flags）：3位

该字段用于控制和标识数据包的分片情况：
第一位（保留，Reserved）：应为0，未来可能用于扩展。
第二位（Don't Fragment，DF）：如果设置为1，表示数据包不允许分片。
第三位（More Fragments，MF）：如果设置为1，表示数据包有更多的分片。

片偏移（Fragment Offset）：13位

该字段表示数据包中片段的偏移量，以8字节为单位。它用于数据包的重组，指示每个片段在原始数据包中的位置。

生存时间（TTL, Time to Live）：8位

该字段用于防止数据包在网络中无限循环。每经过一个路由器或跳数，TTL值减1。当TTL值减到0时，数据包被丢弃，并且通常会发送一个“时间超时”（Time Exceeded）消息回源地址。

协议（Protocol）：8位

该字段指示IP数据包中的数据部分使用的传输层协议，如TCP（值为6）、UDP（值为17）等。它帮助接收方识别数据包的负载协议。

头部校验和（Header Checksum）：16位

该字段用于检查IP头的完整性。它包含IP头部的校验和，接收方使用这个值来检测IP头部是否在传输过程中发生了错误。如果校验和不匹配，数据包会被丢弃。

源IP地址（Source Address）：32位

该字段包含数据包发送方的IP地址，用于在网络中标识数据包的来源。

目的IP地址（Destination Address）：32位

该字段包含数据包接收方的IP地址，用于在网络中标识数据包的目标。

选项（Options）：0-40字节（可选）

这个字段是可选的，可以包含不同的网络控制信息，比如时间戳、安全选项等。如果没有使用选项字段，它的长度为0。选项字段的存在可以影响数据包的处理方式，但大多数应用和协议使用默认的头部设置而不添加选项。

填充（Padding）：0-3字节

这个字段用于确保IP头部长度为32位的倍数。它用于对齐，以确保头部的总长度是4字节的整数倍。

3.TCP头

TCP头部是TCP协议中的重要部分，它负责确保数据的可靠传输。TCP头部包含了许多控制信息，用于管理连接、数据流和错误检测。

同样，我们点击第四行，这里面包含了TCP头部的信息，开始部分是我们的源端口号和目的端口号，在左下角部分

TCP头部格式

TCP头部的标准长度为20字节，但可以通过选项字段扩展。以下是TCP头部的每个字段及其作用：

源端口（Source Port）：16位

该字段表示发送方的端口号。端口号用于在主机上区分不同的应用程序或服务。

目的端口（Destination Port）：16位

该字段表示接收方的端口号，指明数据包应送达的具体应用程序或服务。

序列号（Sequence Number）：32位

该字段用于标识发送的数据字节流中的位置。对于每个数据包，序列号帮助接收方按正确顺序重新组装数据。如果连接是新的，它表示第一个字节的序列号；如果是后续的数据包，它表示数据的字节位置。

确认号（Acknowledgment Number）：32位

该字段用于确认已接收到的数据字节的序列号。确认号表示接收方期望接收的下一个字节的序列号。如果确认号为X，则表示接收方已成功接收序列号小于X的数据。

数据偏移（Data Offset）：4位

该字段表示TCP头部的长度，以32位字为单位。它指示数据部分的起始位置，帮助接收方定位数据部分的开始。

保留（Reserved）：3位

该字段保留供将来使用，当前应设置为0。

控制位（Flags）：9位

该字段包含各种控制标志，用于管理TCP连接的状态：
URG（Urgent Pointer）：如果设置为1，表示数据包包含紧急数据。
ACK（Acknowledgment）：如果设置为1，表示确认号字段有效。
PSH（Push）：如果设置为1，表示接收方应立即将数据传递给应用层，而不是缓冲。
RST（Reset）：如果设置为1，表示强制重置连接。
SYN（Synchronize）：如果设置为1，表示请求建立连接，用于三次握手过程。
FIN（Finish）：如果设置为1，表示数据传输结束，请求关闭连接。

窗口大小（Window Size）：16位

该字段用于流量控制，指示接收方当前的接收窗口大小，表示可以接收的最大字节数。它帮助发送方控制发送速率，以避免接收方缓存溢出。

校验和（Checksum）：16位

该字段用于检查TCP头部和数据部分的完整性。接收方计算和比对校验和，以检测在传输过程中是否发生了错误。如果校验和不匹配，数据包会被丢弃。

紧急指针（Urgent Pointer）：16位

该字段在URG标志位为1时有效，指示紧急数据的结束位置。接收方应优先处理这些紧急数据。

选项（Options）：0-40字节（可选）

该字段用于提供附加的控制信息，如最大报文段长度（MSS）、时间戳、窗口缩放等。选项字段可以扩展TCP的功能，但不是所有的数据包都有选项字段。

填充（Padding）：0-3字节

这个字段用于确保TCP头部长度为32位的倍数。它用于对齐，以确保头部的总长度是4字节的整数倍。

数据（Data）：变长

这是TCP头部之后的数据部分，包括实际传输的应用数据。数据部分的长度由数据偏移字段指示。

TCP头部的应用

连接管理：通过SYN和ACK标志，TCP能够管理连接的建立和关闭。SYN用于建立连接，ACK用于确认数据包的接收。

数据传输：序列号和确认号用于跟踪数据的发送和接收，确保数据包按照正确的顺序到达，并进行重传以纠正丢包。

流量控制：通过窗口大小字段，TCP可以动态调整数据的发送速率，防止接收方缓存溢出。

错误检测：校验和字段用于确保数据的完整性，检测和修复传输中的错误。

紧急数据处理：紧急指针字段用于处理优先级数据，确保紧急数据得到及时处理。

选项扩展：选项字段允许在TCP头部添加附加功能，如优化传输性能和支持更多的网络功能。

4.UDP头

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一个简单的、无连接的传输层协议。与TCP不同，UDP不提供连接管理、流量控制和错误恢复机制，它更注重于提供快速的、低开销的数据传输。UDP头部设计简单且直接，用于快速传输数据。如下图:

udp的头很简单

UDP头部格式

UDP头部固定为8字节（64位），每个字段的作用如下：

源端口（Source Port）：16位

该字段表示发送方的端口号。端口号用于在主机上标识不同的应用程序或服务。

目的端口（Destination Port）：16位

该字段表示接收方的端口号，指示数据包应送达的具体应用程序或服务。

长度（Length）：16位

该字段表示UDP头部和数据部分的总长度，以字节为单位。最小值是8字节（仅头部），最大值为65,535字节（包括数据）。这个字段用于接收方计算UDP数据包的总长度，确保完整接收。

校验和（Checksum）：16位

该字段用于检查UDP头部和数据部分的完整性。校验和用于检测在传输过程中是否发生了错误。如果校验和不匹配，数据包可能会被丢弃（具体取决于实现和配置）。校验和字段是可选的，但建议使用，以提高数据传输的可靠性。

从这里也可以看出UDP通信和TCP通信的区别，我们经常说tcp通信可靠也是因为TCP头中包含数据很多，便于数据传输的完整性，后面我会单独出一篇来介绍

总结

MAC帧（以太网帧）：以太网帧是数据链路层的一个重要组成部分，用于在局域网（LAN）中传输数据。
IPv4头部：包含用于路由和分片的各种信息，如源和目的IP地址、TTL、协议类型等。
TCP头部：提供了连接管理、数据流控制和错误检测的功能，适用于需要可靠数据传输的应用。
UDP头部：设计简洁，不提供连接管理和流量控制，适用于需要快速传输的应用。