TCP和UDP的通信详细资料总结
一、什么是socket？
Socket的英文原义是“孔”或“插座”。在编程中，Socket被称做套接字，是网络通信中的一种约定。Socket编程的应用无处不在，我们平时用的QQ、微信、浏览器等程序，都与Socket编程有关。我们平时使用浏览器查资料，这个过程的技术原理是怎样的呢？
我们平时使用浏览器，大致就是这样的一个过程。这里有两个重要的名词：服务端与客户端。
Socket编程的目的就是如何实现这两端之间的通信。
1、Socket编程在嵌入式中也很重要
Socket编程不仅仅在互联网方面很重要，在我们的嵌入式方面也是非常的重要，因为现在很多电子设备都趋向于联网。比如很多嵌入式工作的招聘要求都会有这一条要求：
说一点题外话，还在学校的朋友，如果感觉到很迷茫，不知道学什么的时候，可以上招聘网站上看看自己未来工作相关的职位的任职要求，这样就可以总结自己的一些不足、比较有针对性的去学习。
二、Socket编程中的几个重要概念
Socket编程用于解决我们客户端与服务端之间通信的问题。我们平时多多少少都有听过IP地址、端口、TCP协议、UDP协议等概念，这些都与Socket编程中相关，想要知道怎么用起来，当然得先了解它们的一些介绍。下面看一下这些专业术语的一些要点介绍：
1、什么是IP地址？
IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。IP地址被用来给Internet上的电脑一个编号。我们可以把“个人电脑”比作“一台电话”，那么“IP地址”就相当于“电话号码”。若计算机1知道计算机2的IP地址，则计算机1就能访问计算机2。
IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。IP地址通常用点分十进制表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数。例：点分十进IP地址（100.4.5.6），实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）。
IP地址有IPv4与IPv6之分，现在用得较多的是IPv4。其中，有一个特殊的IP地址需要我们记住：127.0.0.1，这是回送地址，即本地机，一般用来测试使用。后边我们的实例中会用到。
关于IP地址还有很多知识要点，但是对于在Socket编程中的应用，我们暂且知道这么多就可以。
2、什么是TCP/IP端口？
上一点中我们提到，若计算机1知道计算机2的IP地址，则计算机1就能访问计算机2。但是，我们要访问计算机2中的不同的应用软件，则还得需要一个信息：端口。端口使用16bit进行编号，即其范围为：0~65536。但0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21等。
3、什么是协议？
协议（Protocol）是通信双方进行数据交互的一种约定。如TCP、UDP协议：
（1）TCP协议
TCP（Transmission Control Protocol 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，数据可以准确发送，数据丢失会重发。TCP协议常用于web应用中。
TCP连接（三次握手）
TCP传输起始时，客户端、服务端要完成三次数据交互工作才能建立连接，常称为三次握手。可形象比喻为如下对话：
客户端：服务端您好，我有数据要发给你，请求您开通访问权限。
服务端：客户端您好，已给您开通权限，您可以发送数据了。
客户端：收到，谢谢。
具体示意图为：
这里的SYN和ACK是都是标志位，其中SYN代表新建一个连接，ACK代表确认。其中m、n都是随机数。具体说明如：
第一次握手：SYN标志位被置位，客户端向服务端发送一个随机数m。
第二次握手：ACK、SYN标志位被置位。服务端向客户端发送m+1表示确认刚才收到的数据，同时向客户端发送一个随机数n。
第三次握手：ACK标志被置位。客户端向服务端发送n+1表示确认收到数据。
TCP断开（四次挥手）
TCP断开连接时，客户端、服务端要完成四次数据交互工作才能建立连接，常称为四次挥手。可形象比喻为如下对话：
客户端：服务端您好，我发送数据完毕了，即将和您断开连接。
服务端：客户端您好，我稍稍准备一下，再给您断开
服务端：客户端您好，我准备好了，您可以断开连接了。
客户端：好的，合作愉快！
具体示意图为：
这里的FIN也是一个标志位，代表断开连接。具体说明类似三次握手。
为什么建立连接只需要三次数据交互，而断开连接需要四次呢？
建立连接时，服务端在监听状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。
而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。
（2）UDP协议
UDP（User Datagram Protocol， 用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，可以保证通讯效率，传输延时小。例如视频聊天应用中用的就是UDP协议，这样可以保证及时丢失少量数据，视频的显示也不受很大影响。
4、什么是协议族？
协议族是多个协议的统称。比如我们的TCP/IP协议族，其不仅仅是TCP协议、IP协议，而是多个协议的集合，其包含IP、TCP、UDP、FTP、SMTP等协议。
1、Linux下的socket API接口
（1）创建socket：socket()函数
函数原型：
int socket(int af, int type, int protocol);
af参数：af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6，其前缀也可以是PF（Protocol Family），即PF_INET 和 PF_INET6。
type参数：type 为数据传输方式，常用的有 面向连接（SOCK_STREAM）方式（即TCP） 和 无连接（SOCK_DGRAM）的方式（即UDP）。
protocol参数：protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。
使用示例：
创建TCP套接字：
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
创建UDP套接字：
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
（2）绑定套接字：bind()函数
函数原型：
int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sock参数：sock 为 socket 文件描述符。
addr参数：addr 为 sockaddr 结构体变量的指针。
addrlen参数：addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。
使用示例：
将创建的套接字ServerSock与本地IP127.0.0.1、端口1314进行绑定：
/* 创建服务端socket */int ServerSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);/* 设置服务端信息 */struct sockaddr_in ServerSockAddr;memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr)); // 给结构体ServerSockAddr清零ServerSockAddr.sin_family = PF_INET; // 使用IPv4地址ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");// 本机IP地址ServerSockAddr.sin_port = htons(1314); // 端口/* 绑定套接字 */bind(ServerSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR));
其中struct sockaddr_in类型的结构体变量用于保存IPv4的IP信息。若是IPv6，则有对应的结构体：
struct sockaddr_in6 { sa_family_t sin6_family; // 地址类型，取值为AF_INET6 in_port_t sin6_port; // 16位端口号 uint32_t sin6_flowinfo; // IPv6流信息 struct in6_addr sin6_addr; // 具体的IPv6地址 uint32_t sin6_scope_id; // 接口范围ID};
（3）建立连接：connect()函数
函数原型：
int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
参数与bind()的参数类似。
使用示例：
int ClientSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);connect(ClientSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR));
（4）监听：listen()函数
函数原型：
int listen(int sock, int backlog);
sock参数：sock 为需要进入监听状态的套接字。
backlog参数：backlog 为请求队列的最大长度。
使用示例：
/* 进入监听状态 */listen(ServerSock, 10);
（5）接收请求：accept()函数
函数原型：
int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
sock参数：sock 为服务器端套接字。
addr参数：addr 为 sockaddr_in 结构体变量。
addrlen参数：addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。
返回值：一个新的套接字，用于与客户端通信。
使用示例：
/* 监听客户端请求，accept函数返回一个新的套接字，发送和接收都是用这个套接字 */int ClientSock = accept(ServerSock, (SOCKADDR*)&ClientAddr, &len);
（6）关闭：close()函数
函数原型：
int close(int fd);
fd：要关闭的文件描述符。
使用示例：
close(ServerSock);
（7）数据的接收和发送
数据收发函数有几组：
read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()
函数原型：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
这里介绍一下recv()/send()、recvfrom()/sendto()。
recv()函数：
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
sockfd参数：sockfd为要接收数据的套接字。
buf参数：buf 为要接收的数据的缓冲区地址。
len参数：len 为要接收的数据的字节数。
flags参数：flags 为接收数据时的选项，常设为0。
send()函数：
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
sockfd参数：sockfd为要发送数据的套接字。
buf参数：buf 为要发送的数据的缓冲区地址。
len参数：len 为要发送的数据的字节数。
flags参数：flags 为发送数据时的选项，常设为0。
recvfrom()函数：
ssize_t recvfrom(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockadr *from, socklen_t *addrlen);
sock：用于接收UDP数据的套接字；
buf：保存接收数据的缓冲区地址；
nbytes：可接收的最大字节数（不能超过buf缓冲区的大小）；
flags：可选项参数，若没有可传递0；
from：存有发送端地址信息的sockaddr结构体变量的地址；
addrlen：保存参数 from 的结构体变量长度的变量地址值。
sendto()函数：
ssize_t sendto(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);
sock：用于传输UDP数据的套接字；
buf：保存待传输数据的缓冲区地址；
nbytes：带传输数据的长度（以字节计）；
flags：可选项参数，若没有可传递0；
to：存有目标地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；
addrlen：传递给参数 to 的地址值结构体变量的长度。
2、windows下的socket API接口
跟Linux下的差不多：
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen);int connect(SOCKET sock, const struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);int listen(SOCKET sock, int backlog);SOCKET accept(SOCKET sock, struct sockaddr *addr, int *addrlen); int closesocket( SOCKET s);int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);int recv(SOCKET sock, char *buf, int len, int flags);int recvfrom(SOCKET sock, char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockaddr *from, int *addrlen);int sendto(SOCKET sock, const char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockadr *to, int addrlen);
3、TCP、UDP通信的socket编程过程图
（1）TCP通信socket编程过程
（2）UDP通信socket编程过程
四、socket的应用实例
1、基于TCP的本地客户端、服务端信息交互实例
本例的例子实现的功能为：本地TCP客户端往本地TCP服务端发送数据，TCP服务端收到数据则会打印输出，同时把原数据返回给TCP客户端。这个例子类似于我们在做单片机的串口实验时，串口上位机往我们的单片机发送数据，单片机收到数据则把该数据原样返回给上位机。
（1）windows的程序：
服务端程序tcp_server.c：
#include
客户端程序tcp_client.c：
#include
我们上边的IP地址概念那一部分中，有强调127.0.0.1这个IP是一个特殊的IP地址，这是回送地址，即本地机，一般用来测试使用。这个例子中我们就用到了。此外，端口我们设置为1314，这是随意设置的，只要范围在1024~65536之间就可以。
本文使用的是gcc编译器编译，编译命令如下：
gcc tcp_client.c -o tcp_client.exe -lwsock32gcc tcp_server.c -o tcp_server.exe -lwsock32
这里必须要加-lwsock32这个参数用于链接windows下socket编程必须的winsock2这个库。若是使用集成开发环境，则需要把wsock32.lib放在工程目录下，并在我们代码中#include
实验现象：
先启动服务端程序tcp_server.exe，再启动客户端程序tcp_client.exe，并在客户端中输入字符串，则当服务端会接收到字符串时会打印输出，与此同时也会往客户端返回相同的数据：
（2）Linux的程序：
在linux下，“一切都是文件”，所以这里我们的套接字也当做文件来看待。
服务端程序linux_tcp_server.c：
#include
客户端程序linux_tcp_client.c：
#include
Linux下编译就不需要添加-lwsock32参数：
gcc linux_tcp_server.c -o linux_tcp_servergcc linux_tcp_client.c -o linux_tcp_client
实验现象：
在调试这份程序时，出现了绑定错误：
经上网查询发现是端口重复使用，可以在调用bind()函数之前调用setsockopt()函数以解决端口重复使用的问题：
2、基于UDP的本地客户端、服务端信息交互实例
（1）windows的程序
服务端程序udp_server.c：
#include
客户端程序udp_client.c：
#include
（2）Linux下的程序
服务端程序linux_udp_server.c：
#include
客户端程序linux_udp_client.c：
#include
实验现象：
实验现象如实例1。
五、总结
本笔记简单介绍了一些与socket编程相关的一些知识点：IP地址，什么是端口，协议等。重点介绍了TCP、UDP通信的一些原理及其API接口的用法，并给出了windows和linux下的TCP、UDP通信实例。以上就是关于socket编程的一些总结，如有错误，欢迎指出！
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