Socket编程权威指南(二)完美掌握TCP流式协议及Socket编程的recv()和send()


在上一篇文章中，我们学习了Socket编程的基础知识，包括创建Socket、绑定地址、监听连接、接收连接等操作。然而，真正的套接字编程远不止于此。本文将重点介绍TCP 流式协议，什么是粘包问题？如何解决粘包问题 ？以及recv()和send()这两个函数详细介绍，它们分别用于读取和发送数据，是网络编程中最为关键的环节。我们将详细剖析函数原型、参数含义，并通过实例代码展示具体用法，助你彻底掌握数据传输的精髓。


想详细了解socket 编程基础知识的同学，请前往查阅Socket编程权威指南(一)打通网络通信的任督二脉。


我们先来回顾一下 socket 编程的基本流程：

在这里插入图片描述


接下来，开始我们今天的正题。

一、TCP 流式协议


1、TCP 流式协议介绍

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

以下是 TCP 作为流式协议的一些关键特性和详细说明：

  • 面向连接：

    • TCP 需要在数据传输开始前建立一个连接。通过三次握手过程，客户端和服务器交换初始序列号，建立稳定的连接。

  • 字节流：

    • 与数据报（如 UDP）不同，TCP 将数据视为字节流，而不是独立的数据包。这意味着 TCP 不保留数据包边界，应用程序需要自己处理数据的边界。

  • 可靠性：

    • TCP 保证数据的可靠传输。它使用序列号和确认应答机制来确保数据按顺序、完整地到达目的地。

  • 有序性：

    • TCP 保证数据包的有序传输。如果数据包丢失或乱序，TCP 会重传丢失的数据包并重新排序。

  • 拥塞控制：

    • TCP 内置拥塞控制机制，通过调整数据的发送速率来避免网络拥塞。这是通过算法如慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复实现的。

  • 流量控制：

    • TCP 使用滑动窗口机制进行流量控制，接收方根据自己的接收能力告知发送方可以发送多少数据。

  • 全双工通信：

    • TCP 允许双向通信，即客户端和服务器可以独立地发送和接收数据。

  • 数据传输：

    • TCP 通过套接字接口提供数据传输服务。应用程序可以使用 read()、write() 或专门的套接字系统调用如 recv() 和 send() 进行数据传输。

  • 连接管理：

    • TCP 连接的建立和终止通过三次握手和四次挥手过程管理。这些过程确保了连接的稳定建立和优雅关闭。

  • 超时和重传：

    • 如果发送的数据没有得到及时确认，TCP 会自动重传数据，并且随着时间的推移，重传间隔会指数增长。

  • 保活和死锁检测：

    • TCP 提供保活（keepalive）机制，以检测死连接。如果连接长时间没有活动，TCP 可以自动关闭连接。

  • 适用场景：

    • TCP 适用于需要可靠传输的应用，如 Web 浏览（HTTP）、文件传输（FTP）、邮件传输（SMTP）和远程登录（SSH）。

  • 限制：

    • 由于 TCP 是面向连接的协议，它在某些场景下可能不如 UDP 高效，特别是在实时通信或广播通信中。

  • 编程模型：

    • TCP 编程通常涉及创建套接字、绑定、监听、连接、数据传输和关闭连接等步骤。

TCP 作为流式协议，其设计目标是提供可靠的数据传输服务。它通过多种机制确保数据的正确、有序传输，并通过拥塞控制和流量控制适应不同的网络条件。


也就是说，内核实现的
TCP 协议将保证将一个
TCP 包发送给另一端。

在这里插入图片描述

如上图：

拥塞控制是确保可靠数据传输协议有效运作的关键组成部分，因此，在TCP中，发送缓冲区和接收缓冲区成为了必不可少的元素。

在标准的Linux操作系统中，TCP的发送缓冲区和接收缓冲区默认的大小通常被设置为208KB。这意味着，如果进程A没有及时从其接收缓冲区中提取数据，那么传入的数据将继续在缓冲区内积累，直至达到其容量上限。


2、TCP 流式协议引发“粘包问题”

在网络上传输的数据本质上是二进制格式的，这意味着接收缓冲区里存放的内容同样是以二进制数据的形式存在。

数据根据其到达的顺序被依次放入接收缓冲区，这就可能导致所谓的“粘包”现象。

“粘包”这个词更像是一个方便描述的概念，实际上它并非一个正式的术语。

这个说法类似于描述从水龙头流出的水“粘”在一起，这当然不是字面上的粘连，而是用来形象地表达数据包在缓冲区中连续存放的情况。

简而言之，流式协议引发的一个问题是，我们如何识别接收缓冲区中的数据分别属于哪个TCP数据包？


在这里插入图片描述

以一个具体示例来说明，如果客户端向服务器发送了三个TCP数据包，分别包含内容QA、QB、QC，每个内容代表一个不同的请求。那么在服务器端的接收缓冲区（RecvBuffer）中，这些数据可能会连续排列成一串数据QAQBQC。服务器需要将这串连续的数据正确地拆分成三个独立的数据包，并对每个数据包进行相应的处理。


3、如何解决“粘包”问题？

通常，为了解决如何从接收缓冲区中区分不同TCP数据包的问题，我们会采用 包头+包体 的方式 。


在这里插入图片描述


正如上图所演示：在每个数据包前添加一个固定长度的包头，并在包头中记录数据包的总长度。包体部分则承载实际要传输的数据。

处理接收缓冲区数据的步骤如下：

  • Step 1： 首先从接收缓冲区读取固定大小的包头（例如20字节）。

  • Step 2： 解析包头，从中获取数据包的总长度，这里假设包头中包含的数据长度字段名为Header.Length。

  • Step 3 ： 根据Header.Length的值，确定接下来需要从接收缓冲区读取的数据量。

    例如，如果包头之后的数据总长度为1048字节，减去已读取的20字节包头，还需读取1028字节的数据。


通过这种方式，即使数据在接收缓冲区中是连续存放的，服务器也能够根据每个数据包的包头信息，正确地拆分和识别出独立的数据包。


二、recv()函数详解


recv() 函数是专用于
scoket 上的
read 操作，用于接收 TCP 套接字数据的系统调用。它在服务器端或客户端程序中用来从连接的对端读取数据，本质上是从接收缓冲区读取数据 ，该系统调用将返回实际读取的字节数，其值可能会小于传入的
length 参数。


以下是 recv() 函数的详细说明：

（1）、函数原型

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

（2）、参数

  • sockfd：套接字描述符，表示要从中读取数据的 TCP 套接字。

  • buf：指向一个缓冲区的指针，用于存储接收到的数据。

  • len：缓冲区的大小，即 buf 可以存储的最大字节数。

  • flags：用来修改recv()行为的选项。常用的值包括：

    • 0：正常接收数据。

    • MSG_PEEK：窥视接收的数据，不从接收缓冲区中移除数据。

    • MSG_WAITALL：等待直到接收到 len 个字节的数据，或者出现错误。


（3）、返回值：

  • 成功时，返回接收到的字节数，该值通常小于或等于 len。

  • 失败时，返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。


（4）、错误处理：

  • EAGAIN 或 EWOULDBLOCK：在非阻塞模式下，如果操作会阻塞，则返回此错误。
  • ECONNRESET：远程主机强行关闭了一个现有的连接。
  • ENOTCONN：套接字未连接，即未调用 connect() 或 accept()。
  • ENOTSOCK：sockfd 不是一个套接字。

（5）、使用场景：

  • 主要用于 TCP 套接字上的数据接收。对于 UDP 套接字，通常使用 recvfrom() 函数。

（6）、阻塞和非阻塞行为：

  • 默认情况下，recv() 是阻塞的，它会等待直到至少接收到一个字节的数据。
  • 对于非阻塞套接字，如果接收缓冲区中没有数据，recv() 会立即返回，返回值为 0。

（7）、与 read() 的区别：

  • read() 是一个通用的系统调用，用于读取文件描述符，而 recv() 专门用于套接字。

  • recv() 可以处理套接字选项和状态，而 read() 不能。


（8）、示例代码：

接下来我们通过一个简单的客户端示例，演示如何使用recv()接收数据:

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");servaddr.sin_port = htons(8000);connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));char buffer[1024];ssize_t nbytes = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);buffer[nbytes] = '\0';std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;close(sockfd);return 0;
}

在这个例子中，客户端连接到本机的8000端口，然后使用recv()接收数据并输出到控制台。你可以自行运行并在服务器端发送数据，以验证recv()的效果。


（9）、注意事项：

  • 接收到的数据可能小于请求的长度，因此应用程序应该总是检查返回值。
  • recv() 可以与 select() 或 poll() 结合使用，以实现更复杂的非阻塞操作。

recv() 函数是 TCP 网络编程中接收数据的基本工具。正确使用它需要考虑套接字的状态、缓冲区的大小以及可能的错误情况。


三、send()函数解析


send() 函数专用于
scoket 上的
write
操作，在套接字上发送数据的系统调用。

本质上是向发送缓冲区中写入数据，内核在发送
TCP 数据时，通常会使用
Nagle
算法把多个小的数据包合并成一个发送给另一端，以提高效率。

它是 TCP 网络编程中发送数据的基本工具之一。

以下是 send() 函数的详细解析：


（1）、函数原型

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

（2）、参数

  • sockfd：套接字描述符，表示要从中发送数据的套接字。
  • buf：指向要发送数据缓冲区的指针。
  • len：要发送数据的长度，单位为字节。
  • flags：用来修改发送行为的选项。常用的值包括：
    • 0：正常发送数据。
    • MSG_DONTWAIT：使 send() 调用非阻塞。
    • MSG_MORE：暗示更多的数据要发送，可以用于优化传输效率。

（3）、返回值

  • 成功时，返回已发送的字节数，该值通常小于或等于 len。
  • 失败时，返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

（4）、错误处理

  • EAGAIN 或 EWOULDBLOCK：在非阻塞模式下，如果操作会阻塞，则返回此错误。

  • ECONNRESET：远程主机强行关闭了连接。

  • ENOTCONN：套接字未连接到任何远程主机。

  • ENOTSOCK：sockfd 不是一个套接字。


（5）、使用场景

  • 主要用于已连接的 TCP 套接字上的数据发送。对于 UDP 套接字，通常使用 sendto() 函数。


（6）、阻塞和非阻塞行为

  • 默认情况下，send() 是阻塞的，它会等待直到数据被发送。

  • 对于非阻塞套接字，如果数据不能立即发送，send() 会返回 -1 并设置 errno 为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。


（7）、与 write() 的区别

  • write() 是一个通用的系统调用，用于写文件描述符，而 send() 专门用于套接字。

  • send() 可以处理套接字选项和状态，而 write() 不能。


（8）、示例代码

const char* message = "Hello, World!";
ssize_t nbytes = send(sockfd, message, strlen(message), 0);
if (nbytes < 0) {perror("send failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

（9）、注意事项

  • 发送的数据可能因为网络或其他原因没有立即发送出去，send() 只是将数据交给了内核。
  • 对于非阻塞套接字，可以使用 select() 或 poll() 来等待套接字变得可写。

send() 函数是 TCP 网络编程中发送数据的基础。正确使用它需要考虑套接字的状态、数据的长度以及可能的错误情况。此外，send() 与 recv() 配合使用，可以实现完整的数据发送和接收流程。

需要注意的是，recv()和send()都可能出现中断或部分接收/发送的情况，因此在实际应用中需要循环调用，确保所有数据都被完整传输。此外，它们还有一些特殊的flags可以控制阻塞行为等，具体用法视实际情况而定。


四、权威之作待续


恭喜你已经完整学习了TCP 流式协议，什么是粘包？粘包如何处理？以及recv()和send()函数，这标志着你正在向Socket编程高手的行列迈进。当然，Socket编程远不止如此，还有select()、poll()等I/O复用函数、Unix域Socket编程、原始套接字编程等更高阶的技巧等待你去发掘。我们期待在不久的将来，为你呈现一部Socket编程的不朽权威之作。敬请期待!


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