网络编程 - - TCP套接字通信及编程实现

概述

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的传输层协议。在网络编程中，TCP常用于实现客户端和服务器之间的可靠数据传输。本文将基于C语言实现TCP服务端和客户端建立通信的过程。

三次握手

在 TCP 连接建立之前，客户端和服务器之间需要进行三次握手来同步双方的序列号，并确认双方都准备好进行数据传输

  • 第一次握手：客户端向服务器发送一个 SYN（同步序列编号）报文段，表示请求建立连接。客户端进入 SYN_SENT 状态
  • 第二次握手：服务器收到 SYN 报文段后，回复一个 SYN-ACK（同步序列编号 + 确认）报文段，表示同意建立连接。服务器进入 SYN_RCVD 状态
  • 第三次握手：客户端收到 SYN-ACK 报文段后，回复一个 ACK（确认）报文段，表示确认收到服务器的响应。客户端和服务器都进入 ESTABLISHED 状态，连接正式建立

在这里插入图片描述

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四次挥手

通信结束时，客户端或服务器可以发起断开连接的请求。断开连接的过程称为四次挥手，以确保双方都能正确关闭连接并释放资源

  • 第一次挥手：主动关闭方（通常是客户端）发送一个 FIN（终止）报文段，表示不再发送数据。主动关闭方进入 FIN_WAIT_1 状态
  • 第二次挥手：被动关闭方（通常是服务器）收到 FIN 报文段后，回复一个 ACK 报文段，表示确认收到 FIN。被动关闭方进入 CLOSE_WAIT 状态，而主动关闭方进入 FIN_WAIT_2 状态
  • 第三次挥手：被动关闭方在处理完所有未完成的数据后，发送一个 FIN 报文段，表示自己也不再发送数据。被动关闭方进入 LAST_ACK 状态
  • 第四次挥手：主动关闭方收到 FIN 报文段后，回复一个 ACK 报文段，表示确认收到 FIN。主动关闭方进入 TIME_WAIT 状态，等待一段时间（通常为2倍的最大报文段生命周期，即2MSL），以确保被动关闭方收到了最后的 ACK。之后，主动关闭方进入 CLOSED 状态，连接完全关闭

2MSL：MSL 的默认值是 30 秒，基于经验选择的一个保守估计，用来确保大多数网络环境下的数据包都能被接收或者超时。

大部分操作系统都允许用户调整 MSL 的值，从而改变 TIME_WAIT 状态的持续时间

在这里插入图片描述

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TCP保证可靠传输方式

  • 序列号：每个TCP报文段都有一个序列号，表示该报文段中的第一个字节在整个数据流中的位置。接收方可以根据序列号重新排序接收到的报文段，确保数据按顺序传递
  • 确认应答：接收方在收到报文段后，会发送一个确认应答，告诉发送方哪些数据已经成功接收。发送方根据确认应答判断是否需要重传丢失或损坏的报文段
  • 超时重传：如果发送方在一定时间内没有收到确认应答，它会认为报文段可能丢失或延迟，并重新发送该报文段。TCP使用动态调整的超时机制来优化重传策略
  • 流量控制：TCP使用滑动窗口机制来控制发送方的发送速率，确保接收方不会被过多的数据淹没。接收方会在确认应答中告知发送方当前可用的接收窗口大小，发送方根据这个信息调整自己的发送速率
  • 拥塞控制：TCP通过多种算法（如慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复）来动态调整发送方的发送速率，避免网络拥塞。这些算法旨在在网络负载较高时减小发送速率，在网络条件改善时逐渐增加发送速率

TCP通信实现流程

涉及到的库方法

  • 创建套接字（Socket）

    #include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

  • 绑定（Bind）套接字到指定的IP地址和端口

    #include <sys/socket.h>
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

  • 监听（Listen）客户端的连接请求

    #include <sys/socket.h>
int listen(int socket, int backlog)

  • 接受（Accept）客户端的连接

    #include <sys/socket.h>
int accept(int socket, struct sockaddr *restrict address, socklen_t *restrict address_len);

  • 连接、发送和接收数据（Send/Recv）

    #include <sys/socket.h>
int connect(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);
ssize_t send(int socket, const void *buffer, size_t length, int flags);
ssize_t recv(int socket, void *buffer, size_t length, int flags);

  • 关闭连接（Close）

    #include <unistd.h>
int close(int fildes);

代码实现

服务器代码（Linux）

tcp_server.h

#ifndef TCP_SERVER_H
#define TCP_SERVER_H#include <pthread.h>
#include <netinet/in.h>
#include "cJson.h"
#include "common_base.h"// 定义常量
#define PORT 18888
#define BUFFER_SIZE 1024
#define TCP_IP "127.0.0.1"// 外部函数声明
extern void getSerialNoStr(char *buf);/*** 启动服务器主循环，等待客户端连接*/
void start_serve_tcp(void *arg);/*** 解析接收到的消息
*/
void parse_message(char *data, size_t data_size);#endif // TCP_SERVER_H

tcp_server.c

#include "tcp_server.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>/*** 启动TCP服务器，等待客户端连接并处理接收到的数据。** @param arg 传递给线程的参数，通常为NULL。*/
void start_serve_tcp(void *arg) 
{int server_fd, client_fd;struct sockaddr_in server_addr, client_addr;socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};// 创建 Socketif ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){printf("Socket 创建失败");return;}// 配置服务器地址memset_s(&server_addr, sizeof(server_addr), 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;// 配置端口号和IPserver_addr.sin_port = htons(PORT);server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(TCP_IP);// 绑定 Socketif (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {printf("绑定失败\n");close(server_fd);return;}// 开始监听if (listen(server_fd, 5) == -1){printf("监听失败\n");close(server_fd);return;}printf("服务器已启动，监听地址：%s:%d\n", inet_ntoa(server_addr.sin_addr), ntohs(server_addr.sin_port));// 等待客户端连接while (1){printf("等待客户端连接...\n");if ((client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len)) == -1) {printf("接受客户端连接失败");continue;}printf("客户端已连接：%s:%d\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));// 接收数据int received_size;printf("receive before client_fd: %d\n", client_fd);while ((received_size = recv(client_fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0)) > 0) {printf("收到数据，大小: %d 字节\n", received_size);parse_message(buffer, received_size);printf("jsonString: %s\n", jsonString);sleep(1);if(jsonString){              printf("receive after client_fd: %d\n", client_fd);// 发送 JSON 数据到客户端ssize_t sent_size = send(client_fd, jsonString, strlen(jsonString), 0);if (sent_size == -1){printf("发送数据失败\n");} else {printf("成功发送 %zd 字节到客户端\n", sent_size);}free(jsonString);jsonString = NULL;}else {printf("生成 JSON 数据失败\n");}}if (received_size == 0){printf("客户端已断开连接\n");} else if (received_size == -1){printf("接收数据失败");}close(client_fd);}close(server_fd);
}void parse_message(char *data, size_t data_size) 
{cJSON *rootMsg = NULL;  cJSON *serialNo = NULL; // 序列号cJSON *netCmd = NULL;   // 操作行为MANUAL_TRIG_PARAM manualTrParam;    // 手动触发抓拍接口传参结构体// 确保消息头部完整性（消息类型：4字节，数据长度：4字节）if (data_size < 8){printf("数据长度不足，无法解析\n");return;}// 解析消息类型和数据长度int message_type = ntohl(*(int *)data);int data_length = ntohl(*(int *)(data + 4));printf("消息类型: %d\n", message_type);printf("数据长度: %d\n", data_length);// 检查数据长度是否匹配if (data_size < 8 + data_length) {printf("数据长度与实际内容不匹配\n");return;}// 解析消息内容char *message_content = (char *)malloc(data_length + 1);if (!message_content) {printf("内存分配失败\n");return;}memcpy(message_content, data + 8, data_length);message_content[data_length] = '\0'; // 确保字符串以 \0 结尾printf("消息内容: %s\n", message_content);rootMsg = cJSON_Parse(message_content);if (NULL == rootMsg){printf("rootMsg is not json tpye\n");free(message_content);return;}printf("解析成功\n");serialNo = cJSON_GetObjectItem(rootMsg, "serialNo");netCmd = cJSON_GetObjectItem(rootMsg, "netCmd");if (serialNo && netCmd){printf("serialNo: %s\n", serialNo->valuestring);printf("netCmd: %s\n", netCmd->valuestring);} else{printf("缺少必要的 JSON 字段\n");cJSON_Delete(rootMsg);free(message_content);return;}char serial[64] = {0};getSerialNoStr(serial);printf("getSerialNoStr: %s\n", serial);printf("serialNo: %s\n", serialNo->valuestring);if(strncmp(serial, serialNo->valuestring, 9) == 0){// TODO：业务处理}else{printf("serialNo is not equal\n");}cJSON_Delete(rootMsg);free(message_content);
}
客户端代码（Windows）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")void send_message(const char *ip, int port, int message_type, const char *content) {WSADATA wsa;SOCKET sock;struct sockaddr_in server_addr;char buffer[1024];int recv_size;char recv_buffer[1024];// 初始化 Winsockif (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsa) != 0) {printf("Winsock 初始化失败，错误代码: %d\n", WSAGetLastError());exit(EXIT_FAILURE);}// 创建 Socketif ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == INVALID_SOCKET) {printf("Socket 创建失败，错误代码: %d\n", WSAGetLastError());WSACleanup();exit(EXIT_FAILURE);}// 配置服务器地址server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(port);server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);// 连接服务器if (connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == SOCKET_ERROR) {printf("连接服务器失败，错误代码: %d\n", WSAGetLastError());closesocket(sock);WSACleanup();exit(EXIT_FAILURE);}// 准备消息int data_length = strlen(content);int net_message_type = htonl(message_type);int net_data_length = htonl(data_length);memcpy(buffer, &net_message_type, 4);memcpy(buffer + 4, &net_data_length, 4);memcpy(buffer + 8, content, data_length);// 发送消息send(sock, buffer, 8 + data_length, 0);// 接收服务器返回的数据if ((recv_size = recv(sock, recv_buffer, sizeof(recv_buffer) - 1, 0)) == SOCKET_ERROR) {printf("接收数据失败，错误代码: %d\n", WSAGetLastError());} else {recv_buffer[recv_size] = '\0'; // 确保以 null 结尾printf("服务器返回: %s\n", recv_buffer);}closesocket(sock);WSACleanup();
}int main() {send_message("127.0.0.1", 18888, 1, "{id: 'FS123456', command: 'NET_CAP'}");return 0;
}

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