【物联网】直接上代码解释TCP/UDP

• 连接方式：TCP是面向连接的，UDP是无连接的。
• 可靠性：TCP提供可靠数据传输，UDP不保证可靠性。
• 数据传输方式：TCP使用字节流传输，UDP使用数据报传输。
• 传输效率：TCP传输效率相对较低，UDP传输效率高。

文章目录

• • TCP协议
  • • 三次握手（Three-Way Handshake）
    • 四次挥手（Four-Way Handshake）
    • 示例代码：
    • • 服务器端（server.c）：
      • 客户端（client.c）：
  • UDP协议
  • • UDP特点
    • 示例代码：
    • • 服务器端（server.c）：
      • 客户端（client.c）：
  • 二者区别：

TCP协议

TCP就是在不可靠的信道上建立可靠的连接，TCP传输需解决三次握手和四次挥手的过程。TCP是一种可靠的面向连接的协议，它提供了可靠的数据传输和错误修复机制。这使得TCP广泛用于需要可靠数据传输的应用，例如电子邮件、文件传输和Web浏览器。

当使用TCP建立连接时，它会在客户端和服务器之间创建一个虚拟的连接，并确保数据在这个连接上按照正确的顺序传输。这是通过使用序列号、确认号和窗口大小等机制来实现的。TCP的三次握手和四次挥手是为了建立和终止TCP连接而定义的一种协议流程。下面详细介绍了TCP的三次握手和四次挥手的过程。

三次握手（Three-Way Handshake）

三次握手是在客户端和服务器之间建立TCP连接时使用的过程。它的目的是确保双方都愿意建立连接，并进行必要的初始化设置。

步骤如下：

• 第一步（SYN）：客户端发送一个带有 SYN（同步）标志的包给服务器，并通过设置一个初始序列号（随机选择）来开始连接建立。

• 第二步（SYN+ACK）：服务器收到客户端的请求后，如果同意建立连接，就会发送一个带有 SYN 和 ACK（确认）标志的包给客户端。服务器也会选择一个初始序列号，并将确认号设置为客户端的初始序列号加1。

• 第三步（ACK）：客户端收到服务器的响应后，会发送一个带有 ACK 标志的包给服务器，确认收到了服务器的确认。同时，客户端也会将确认号设置为服务器的初始序列号加1。

完成了这个三次握手之后，TCP连接就建立起来了，双方可以开始进行数据传输。

四次挥手（Four-Way Handshake）

四次挥手是在客户端和服务器之间终止TCP连接时使用的过程。它的目的是双方都能够安全地关闭连接并释放资源。

步骤如下：

• 第一步（FIN）：当客户端希望关闭连接时，它发送一个带有 FIN（结束）标志的包给服务器，表示不再发送数据。

• 第二步（ACK）：服务器收到客户端的结束请求后，发送一个带有 ACK 确认标志的包给客户端，表示收到了客户端的结束请求。

• 第三步（FIN）：当服务器也希望关闭连接时，它发送一个带有 FIN 标志的包给客户端，表示不再发送数据。

• 第四步（ACK）：客户端收到服务器的结束请求后，发送一个带有 ACK 确认标志的包给服务器，表示收到了服务器的结束请求。

完成了这个四次挥手之后，TCP连接就被正式关闭，双方不再进行数据传输。

示例代码：

下面是一个使用TCP的简单示例，展示了如何在服务器和客户端之间建立连接并进行通信：

服务器端（server.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd, client_sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    
    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        return 1;
    }
    
    // 设置服务器地址
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    
    // 绑定套接字到服务器地址
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");
        return 1;
    }
    
    // 监听请求
    listen(sockfd, 5);
    
    printf("Server started. Waiting for connections...\n");
    
    while (1) {
        // 接受连接
        int client_addr_len = sizeof(client_addr);
        client_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
        if (client_sockfd == -1) {
            perror("accept");
            return 1;
        }
        
        // 读取客户端发送的消息
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        read(client_sockfd, buffer, BUFFER_SIZE);
        printf("Received message from client: %s\n", buffer);
        
        // 发送响应给客户端
        write(client_sockfd, "Message received!", strlen("Message received!"));
        
        // 关闭客户端套接字
        close(client_sockfd);
    }
    
    // 关闭服务器套接字
    close(sockfd);
    
    return 0;
}

客户端（client.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    
    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        return 1;
    }
    
    // 设置服务器地址
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    
    // 连接服务器
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("connect");
        return 1;
    }
    
    // 发送消息给服务器
    printf("Enter message to send to server: ");
    fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);
    write(sockfd, buffer, strlen(buffer));
    
    // 读取服务器的响应
    memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
    read(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("Server response: %s\n", buffer);
    
    // 关闭套接字
    close(sockfd);
    
    return 0;
}

以上是一个使用TCP的简单示例。在服务器端，我们首先创建一个套接字，绑定地址和端口，并开始监听客户端连接。当有客户端请求连接时，我们接受连接，读取客户端发送的消息并给出响应。在客户端，我们创建一个套接字，连接到服务器，并发送消息给服务器并读取响应。

UDP协议

UDP是一种无连接的协议，它提供了一种简单的数据传输机制，适用于一些不需要可靠数据传输的应用，例如游戏、流媒体和实时通信。

与TCP不同，UDP没有建立连接的过程，而是直接发送和接收数据包。UDP也不提供错误修复机制，数据包可能会丢失或乱序到达。因此，在使用UDP时，我们需要自己处理数据的可靠性和顺序问题。

UDP特点

1. 无连接性：UDP是无连接的协议，发送方和接收方之间没有建立和维护连接的过程。每个数据包都是独立的，可以独立发送和接收。

2. 不可靠性：UDP不提供可靠性保证。发送方将数据包发送给接收方，但无法确保数据包是否成功到达目标。UDP不进行重传，也不进行拥塞控制。如果数据包在传输过程中丢失或损坏，接收方将无法获取完整、正确的数据。

3. 快速性：由于UDP的无连接、不可靠性质，它具有较低的开销和高效的传输速度。它适用于传输对实时性要求较高的数据，如实时音频、视频流和实时游戏数据。

4. 数据报方式：UDP以数据报的形式传输数据。每个数据报都有自己的源端口和目标端口，独立于其他数据报。数据报之间没有顺序关系，也不进行分段和组装。

5. 尺寸限制：UDP数据报的大小被限制在64KB以内。大于这个尺寸的数据需要进行分片，并在接收方进行重新组装。

6. 应用场景：UDP常用于实时应用程序，如实时音视频传输、在线游戏、视频会议等。它适用于不要求可靠传输和顺序性的应用，同时追求低延迟和快速响应的特性。

需要注意的是，由于UDP不提供可靠性保障，应用程序需要额外的机制来处理丢包、重传以及应用层的错误处理。

示例代码：

以下是一个使用UDP的简单示例，展示了如何在客户端和服务器之间进行通信：

服务器端（server.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    
    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        return 1;
    }
    
    // 设置服务器地址
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    
    // 绑定套接字到服务器地址
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");
        return 1;
    }
    
    printf("Server started. Waiting for messages...\n");
    
    while (1) {
        // 接收消息
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
        ssize_t bytes_received = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
        if (bytes_received == -1) {
            perror("recvfrom");
            return 1;
        }
        
        printf("Received message from client: %s\n", buffer);
        
        // 回复消息给客户端
        char *response = "Message received!";
        ssize_t bytes_sent = sendto(sockfd, response, strlen(response), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, client_addr_len);
        if (bytes_sent == -1) {
            perror("sendto");
            return 1;
        }
    }
    
    // 关闭套接字
    close(sockfd);
    
    return 0;
}

客户端（client.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    
    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        return 1;
    }
    
    // 设置服务器地址
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    
    // 发送消息给服务器
    printf("Enter message to send to server: ");
    fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);
    ssize_t bytes_sent = sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (bytes_sent == -1) {
        perror("sendto");
        return 1;
    }
    
    // 接收服务器的响应
    memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
    socklen_t server_addr_len = sizeof(server_addr);
    ssize_t bytes_received = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&server_addr, &server_addr_len);
    if (bytes_received == -1) {
        perror("recvfrom");
        return 1;
    }
    
    printf("Server response: %s\n", buffer);
    
    // 关闭套接字
    close(sockfd);
    
    return 0;
}

在UDP示例中，服务器端和客户端的代码都有所变化。服务器端使用了recvfrom()和sendto()函数来接收和发送数据包，而不是读取和写入文件描述符。客户端同样使用了recvfrom()和sendto()函数来接收和发送数据包。

二者区别：

1. 连接方式：

   • TCP是面向连接的协议，需要先建立连接，然后才能进行数据传输。它使用三次握手来建立连接，确保双方的可靠通信。
   • UDP是无连接的协议，数据在发送前不需要建立连接。每个数据包都是独立的，发送方和接收方之间没有直接的联系。

2. 可靠性：

   • TCP提供可靠的数据传输。它使用序列号、确认和重传机制来确保数据的完整性和有序性。如果丢失了数据包，TCP会自动重传，直到数据完整到达。
   • UDP不保证可靠性。它不提供流控制、拥塞控制、错误纠正和重传机制。如果发送的数据包丢失或损坏，接收方将无法获取正确的数据。

3. 数据传输方式：

   • TCP使用字节流传输方式。数据被分割为小的数据块（分段），然后按序传输，接收方按序组装数据。因此，TCP传输的数据是保序的，适用于传输需要保持顺序的应用。
   • UDP则以数据报方式进行传输。每个数据包是独立的，不会分割或合并，也不会维持数据的顺序。每个数据包都有自己的目标地址和端口。

4. 传输效率：

   • 由于提供了可靠性和连接管理等额外功能，TCP的传输效率相对较低。它可能存在一些延迟，并且有更高的开销。
   • UDP不提供这些额外功能，因此传输效率比TCP高。它通常用于实时通信、视频游戏等对于即时性要求比较高的应用。

TCP适用于需要可靠传输和顺序的数据，而UDP适用于实时通信和需要更高传输效率的场景。