TCP/UDP如何进行Socket通信

Posted 2023-03-31 key_3_feng

socket 接口大多数情况下操作的是传输层，更底层的协议不用它来操心。在传输层有两个主流的协议 TCP 和 UDP， socket 程序设计也是主要操作这两个协议。

• TCP 是面向连接的，UDP 是面向无连接的。
• TCP 提供可靠交付，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达；UDP 不提供可靠交付，不保证不丢失，不保证按顺序到达。
• TCP 是面向字节流的，发送时发的是一个流，没头没尾；UDP 是面向数据报的，一个一个地发送。
• TCP 是可以提供流量控制和拥塞控制的，既防止对端被压垮，也防止网络被压垮。

从本质上来讲，所谓的建立连接，其实是为了在客户端和服务端维护连接，而建立一定的数据结构来维护双方交互的状态，并用这样的数据结构来保证面向连接的特性。TCP 无法左右中间的任何通路，也没有什么虚拟的连接，中间的通路根本意识不到两端使用了 TCP 还是 UDP。

所谓的连接，就是两端数据结构状态的协同，两边的状态能够对得上。符合 TCP 协议的规则，就认为连接存在；两面状态对不上，连接就算断了。

流量控制和拥塞控制其实就是根据收到的对端的网络包，调整两端数据结构的状态。TCP 协议的设计理论上认为，这样调整了数据结构的状态，就能进行流量控制和拥塞控制了，其实在通路上是不是真的做到了，谁也管不着。

所谓的可靠，也是两端的数据结构做的事情。不丢失其实是数据结构在“点名”，顺序到达其实是数据结构在“排序”，面向数据流其实是数据结构将零散的包，按照顺序捏成一个流发给应用层。总而言之，“连接”两个字让人误以为功夫在通路，其实功夫在两端。

socket 函数用于创建一个 socket 的文件描述符，唯一标识一个 socket。我们把它叫作文件描述符，因为在内核中，我们会创建类似文件系统的数据结构，并且后续的操作都有用到它。

socket 函数有三个参数。

• domain：表示使用什么 IP 层协议。AF_INET 表示 IPv4，AF_INET6 表示 IPv6。type：表示 socket 类型。
• SOCK_STREAM，顾名思义就是 TCP 面向流的，SOCK_DGRAM 就是 UDP 面向数据报的，SOCK_RAW 可以直接操作 IP 层，或者非 TCP 和 UDP 的协议。例如 ICMP。
• protocol 表示的协议，包括 IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP。

通信结束后，我们还要像关闭文件一样，关闭 socket。

1、TCP编程

TCP 的服务端要先监听一个端口，一般是先调用 bind 函数，给这个 socket 赋予一个端口和 IP 地址。

服务端所在的服务器可能有多个网卡、多个地址，可以选择监听在一个地址，也可以监听 0.0.0.0 表示所有的地址都监听。服务端一般要监听在一个众所周知的端口上，例如，nginx 一般是 80，Tomcat 一般是 8080。

最低位放在最后一个位置，我们叫作小端，最低位放在第一个位置，叫作大端。TCP/IP 栈是按照大端来设计的，而 x86 机器多按照小端来设计，因而发出去时需要做一个转换。

下来，就要建立 TCP 的连接了，也就是著名的三次握手，其实就是将客户端和服务端的状态通过三次网络交互，达到初始状态是协同的状态。下图就是三次握手的序列图以及对应的状态转换。

接下来，服务端要调用 listen 进入 LISTEN 状态，等待客户端进行连接。

连接的建立过程，也即三次握手，是 TCP 层的动作，是在内核完成的，应用层不需要参与。

接着，服务端只需要调用 accept，等待内核完成了至少一个连接的建立，才返回。如果没有一个连接完成了三次握手，accept 就一直等待；如果有多个客户端发起连接，并且在内核里面完成了多个三次握手，建立了多个连接，这些连接会被放在一个队列里面。accept 会从队列里面取出一个来进行处理。如果想进一步处理其他连接，需要调用多次 accept，所以 accept 往往在一个循环里面。

接下来，客户端可以通过 connect 函数发起连接。先在参数中指明要连接的 IP 地址和端口号，然后发起三次握手。内核会给客户端分配一个临时的端口。一旦握手成功，服务端的 accept 就会返回另一个 socket。

监听的 socket 和真正用来传送数据的 socket，是两个 socket，一个叫作监听 socket，一个叫作已连接 socket。成功连接建立之后，双方开始通过 read 和 write 函数来读写数据，就像往一个文件流里面写东西一样。

2、UDP编程

UDP 是没有连接的，所以不需要三次握手，也就不需要调用 listen 和 connect，但是 UDP 的交互仍然需要 IP 地址和端口号，因而也需要 bind。

对于 UDP 来讲，没有所谓的连接维护，也没有所谓的连接的发起方和接收方，甚至都不存在客户端和服务端的概念，大家就都是客户端，也同时都是服务端。只要有一个 socket，多台机器就可以任意通信，不存在哪两台机器是属于一个连接的概念。因此，每一个 UDP 的 socket 都需要 bind。每次通信时，调用 sendto 和 recvfrom，都要传入 IP 地址和端口。

此文章为3月Day30 学习笔记，内容来源于极客时间《趣谈 Linux 操作系统》，推荐该课程。

HP-Socket 高性能 TCP & UDP 通信框架

HP-Socket 是一套通用的高性能 TCP/UDP 通信框架，包含服务端组件、客户端组件和 Agent 组件，腾云科技ty300.com觉得HP-Socket可以广泛适用于各种不同应用场景的 TCP/UDP 通信系统，提供 C/C++、C#、Delphi、E（易语言）、Java、Python 等编程语言接口。HP-Socket 对通信层实现完全封装，应用程序不必关注通信层的任何细节；HP-Socket 提供基于事件通知模型的 API 接口，勤快学qkxue.net总结HP-Socket能非常简单高效地整合到新旧应用程序中。

为了让使用者能方便快速地学习和使用 HP-Socket，迅速掌握框架的设计思想和使用方法，特此精心制作了大量 Demo 示例（如：PUSH 模型示例、PULL 模型示例、PACK 模型示例、性能测试示例以及其它编程语言示例）。HP-Socket 目前运行在 Windows 平台，将来会实现跨平台支持。

《HP-Socket v3.5 开发指南》

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通用性

HP-Socket 的唯一职责就是接收和发送字节流，不参与应用程序的协议解析等工作。
HP-Socket 与应用程序通过接口进行交互，并完全解耦。任何应用只要实现了 HP-Socket 的接口规范都可以无缝整合 HP-Socket。
易用性

易用性对所有通用框架都是至关重要的，如果太难用还不如自己重头写一个来得方便。因此，HP-Socket 的接口设计得非常简单和统一。
HP-Socket 完全封装了所有底层通信细节，应用程序不必也不能干预底层通信操作。通信连接被抽象为 Connection ID，Connection ID 作为连接的唯一标识提供给应用程序来处理不同的连接。
HP-Socket 提供 PUSH / PULL / PACK 等接收模型， 应用程序可以灵活选择以手工方式、 半自动方式或全自动方式处理封解包， PULL / PACK 接收模型在降低封解包处理复杂度的同时能大大减少出错几率。
高性能

Client 组件：基于 Event Select 通信模型，在单独线程中执行通信操作，避免与主线程或其他线程相互干扰。每个组件对象管理一个 Socket 连接。
Server 组件：基于 IOCP 通信模型，并结合缓存池、私有堆（Private Heap）等技术，支持超大规模连接，在高并发场景下实现高效内存管理。
Agent 组件：对于代理服务器或中转服务器等应用场景，服务器自身也作为客户端向其它服务器发起大规模连接，一个 Agent 组件对象同时可管理多个 Socket 连接；Agent 组件与 Server 组件采用相同的技术架构，可以用作代理服务器或中转服务器的客户端部件。
伸缩性

应用程序能够根据不同的容量要求、通信规模和资源状况等现实场景调整 HP-Socket 的各项性能参数（如：工作线程的数量、缓存池的大小、发送模式和接收模式等），优化资源配置，在满足应用需求的同时不必过度浪费资源。