网络编程 TCP/UDP

 

目录

1、参考文章：

2、TCP 编程流程：

2.1、端口状态：

3、UDP 编程流程：

3.1、端口状态：

4、WSASocket()和socket()函数区别：

5、SOCK_DGRAM和SOCK_STREAM：

6、send/sendto和recv/recvfrom区别：

7、select

8、epoll

8.1、理解

8.2、数据结构

9、TCP的阻塞机制

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1、参考文章：

理论：基础参考文章

代码：参考代码

2、TCP 编程流程：

2.1、端口状态：

listen()：

accept()：

connect()：

可以看到7688进程有两个socket管道、一个是1002本地监听、另一个是与外界通信socket。

1、这里先关闭客户端socket：

因为是客户端主动触发的关闭，所以服务端的状态变为CLOSE_WAIT状态，客户端状态变为FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2；这时不关闭服务端接受到的客户端的socket，等待2MSL后，就只剩服务端的监听端口了；

如果在2MSL之内，关闭服务端接受到的客户端的socket，则客户端socket进入TIME_WAIT状态：

2、反之先关闭服务端接收到的客户端socket，也是一样的效果；

3、这里直接先关闭服务端的监听socket：

所以任然可以用已建立连接的socket发消息；

3、UDP 编程流程：

3.1、端口状态：

bind()：

没有连接状态；

并且关闭客户端socket不会改变服务器进程的状态，只有当服务端的socket关闭时进程才会结束，并且是立即结束。

4、WSASocket()和socket()函数区别：

WSASocket是Windows专用，支持异步操作；socket是unix标准，只能同步操作。

Socket可采用多线程实现非阻塞，winsock是socket的windows平台的实现。winsock是微软专门为windows操作系统开发的socket网络编程接口，而socket是通用网络编程接口。

socket() 函数创建一个通讯端点并返回一个套接口。但是在socket库中例程在应用于阻塞套接口时会阻塞。WSASocket()的发送操作和接收操作都可以被重叠使用。接收函数可以被多次调用，发出接收缓冲区，准备接收到来的数据。发送函数也可以被多次调用，组成一个发送缓冲区队列。可是socket()却只能发过之后等待回消息才可做下一步操作！

5、SOCK_DGRAM和SOCK_STREAM：

SOCK_STREAM 是有保障的（即能保证数据正确传送到对方）面向连接的SOCKET，多用于资料（如文件）传送。

SOCK_DGRAM 是无保障的面向消息的socket ， 主要用于在网络上发广播信息。

SOCK_STREAM 是基于TCP的，数据传输比较有保障。SOCK_DGRAM是基于UDP的，专门用于局域网，基于广播

SOCK_STREAM 是数据流,一般是tcp/ip协议的编程,SOCK_DGRAM分是数据抱,是udp协议网络编程

6、send/sendto和recv/recvfrom区别：

send(),recv()用于TCP，sendto()及recvfrom（）用于UDP；

但是send(),recv()也可以用于UDP，sendto()及recvfrom()也可以用于TCP；

如果send(),recv()用于UDP，在send之前先要使用connect（客户端能发服务端能收、反之不行，why？？，如果服务端使用recvfrom/sendto，客户端使用recv/send就可以正常收发）；

int send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);
int recv(SOCKET s, char FAR * buf, int len, int flags);
int sendto(int sockfd, const void *msg, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *to, int tolen);
int recvfrom(int sockfd, void *buf ,int len ,unsigned int lags ,struct sockaddr *from ,int *fromlen)；

recvfrom注意第六个参数，是指针，意思是这个参数是会被修改的；

关于flags参数：

int send(int s, const void *msg, size_t len, int flags); 
flags取值有：
0： 与write()无异
MSG_DONTROUTE:告诉内核，目标主机在本地网络，不用查路由表
MSG_DONTWAIT:将单个I／O操作设置为非阻塞模式
MSG_OOB:指明发送的是带外信息

int recv(int s, void *buf, size_t len, int flags);
flags取值有：
0：常规操作，与read()相同
MSG_DONTWAIT:将单个I／O操作设置为非阻塞模式
MSG_OOB:指明发送的是带外信息
MSG_PEEK:可以查看可读的信息，在接收数据后不会将这些数据丢失
MSG_WAITALL:通知内核直到读到请求的数据字节数时，才返回。

int recvfrom(int s, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen); 
flags取值有：
0：常规操作，与read()相同
MSG_OOB:指明发送的是带外信息
MSG_PEEK:可以查看可读的信息，在接收数据后不会将这些数据丢失

int sendto(int s, const void *msg, size_t len, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen); 
flags取值有：
0： 与write()无异
MSG_DONTROUTE:告诉内核，目标主机在本地网络，不用查路由表
MSG_OOB:指明发送的是带外信息

7、select

int select(int maxfdp, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* errorfds, struct timeval* timeout);

maxfdp：需要检查的文件描述字个数（即检查到fd_set的第几位），数值应该比三组fd_set中所含的最大fd值更大，一般设为三组fd_set中所含的最大fd值加1（如在readset,writeset,exceptset中所含最大的fd为5，则nfds=6，因为fd是从0开始的）。设这个值是为提高效率，使函数不必检查fd_set的所有1024位；

readfds：用来检查可读性的一组文件描述字，（数组）可读句柄，先从该参数中读到可读句柄，然后复制给第一个元素（windows上测试结果）；

writefds：同上，用来检查可写性的一组文件描述字；

errorfds：同上，用来检查是否有异常条件出现的文件描述字。(注：错误不包括在异常条件之内)；

timeout：用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。 
有三种可能：

• timeout=NULL（阻塞：select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件）
• timeout所指向的结构设为非零时间（等待固定时间：如果在指定的时间段里有事件发生或者时间耗尽，函数均返回）
• timeout所指向的结构，时间设为0（非阻塞：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生）

fd_set（它比较重要所以先介绍一下）是一组文件描述字(fd)的集合，它用一位来表示一个fd（下面会仔细介绍），对于fd_set类型通过下面四个宏来操作：

FD_ZERO(fd_set *fdset)：将指定的文件描述符集清空，在对文件描述符集合进行设置前，必须对其进行初始化，如果不清空，由于在系统分配内存空间后，通常并不作清空处理，所以结果是不可知的。

FD_SET(fd_set *fdset)：用于在文件描述符集合中增加一个新的文件描述符。 

FD_CLR(fd_set *fdset)：用于在文件描述符集合中删除一个文件描述符。 （windows上测试的时候，并没有清除掉）

FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset)：用于测试指定的文件描述符是否在该集合中。

8、epoll

https://www.cnblogs.com/aspirant/p/9166944.html

8.1、理解

假设你在大学中读书，要等待一个朋友来访，而这个朋友只知道你在A号楼，但是不知道你具体住在哪里，于是你们约好了在A号楼门口见面。如果你使用的阻塞IO模型来处理这个问题，那么你就只能一直守候在A号楼门口等待朋友的到来，在这段时间里你不能做别的事情，不难知道，这种方式的效率是低下的。

进一步解释select和epoll模型的差异：

select版大妈做的是如下的事情：比如同学甲的朋友来了,select版大妈比较笨,她带着朋友挨个房间进行查询谁是同学甲,你等的朋友来了。

int n = select(&readset,NULL,NULL,100);
 for (int i = 0; n > 0; ++i)
 {
        if (FD_ISSET(fdarray[i], &readset))
        { 
               do_something(fdarray[i]);
               --n; 
        } 
}

epoll版大妈就比较先进了，她记下了同学甲的信息，比如说他的房间号，那么等同学甲的朋友到来时，只需要告诉该朋友同学甲在哪个房间即可，不用自己亲自带着人满大楼的找人了。

n = epoll_wait(epfd,events,20,500);
 for(i=0;i

在epoll中，关键的数据结构epoll_event定义如下：

typedef union epoll_data 
{ 
     void *ptr; 
     int fd;
      __uint32_t u32;
      __uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event
{ 
     __uint32_t events; /* Epoll events */
     epoll_data_t data; /* User data variable */ 
};

可以看到,epoll_data是一个union结构体，它就是epoll版大妈用于保存同学信息的结构体，它可以保存很多类型的信息：fd,指针，等等。

有了这个结构体，epoll大妈可以不用吹灰之力就可以定位到同学甲。别小看了这些效率的提高，在一个大规模并发的服务器中，轮询IO是最耗时间的操作之一。

再回到那个例子中，如果每到来一个朋友楼管大妈都要全楼的查询同学，那么处理的效率必然就低下了，过不久楼底就有不少的人了。

8.2、数据结构

首先epoll_create创建一个epoll文件描述符，底层同时创建一个红黑树，和一个就绪链表；红黑树存储所监控的文件描述符的节点数据，就绪链表存储就绪的文件描述符的节点数据；epoll_ctl将会添加新的描述符，首先判断是红黑树上是否有此文件描述符节点，如果有，则立即返回。如果没有， 则在树干上插入新的节点，并且告知内核注册回调函数。当接收到某个文件描述符过来数据时，那么内核将该节点插入到就绪链表里面。epoll_wait将会接收到消息，并且将数据拷贝到用户空间，清空链表。对于LT模式epoll_wait清空就绪链表之后会检查该文件描述符是哪一种模式，如果为LT模式，且必须该节点确实有事件未处理，那么就会把该节点重新放入到刚刚删除掉的且刚准备好的就绪链表，epoll_wait马上返回。ET模式不会检查，只会调用一次

此处重点谈一下ET和LT模式，ET模式是将就绪的事件传给用户的event结构体数组后，在将事件传给一个列表txlist，进而返回给就绪列表，下一次传递会再检测事件用户是否完全接收数据，将未完全接收就绪事件再次传递给用户，重复步骤，直至用户全部接受数据为止。

LT模式为将就绪事件传递给用户之后，不必返回给就绪列表，可能存在丢失数据的可能。

9、TCP的阻塞机制

https://blog.csdn.net/shuxnhs/article/details/80644531

我们知道TCP通过一个定时器（timer）采样了RTT并计算RTO，但是，如果网络上的延时突然增加，那么，TCP对这个事做出的应对只有重传数据，然而重传会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这就导致了恶性循环，最终形成“网络风暴” —— TCP的拥塞控制机制就是用于应对这种情况。 

首先需要了解一个概念，为了在发送端调节所要发送的数据量，定义了一个“拥塞窗口”（Congestion Window），在发送数据时，将拥塞窗口的大小与接收端ack的窗口大小做比较，取较小者作为发送数据量的上限。 
拥塞控制主要是四个算法： 

1、慢启动：

意思是刚刚加入网络的连接，一点一点地提速，不要一上来就把路占满。 连接建好的开始先初始化cwnd = 1，表明可以传一个MSS大小的数据。 

每当收到一个ACK，cwnd++；呈线性上升，每当过了一个RTT，cwnd = cwnd*2；呈指数让升。阈值ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法” 。

2、拥塞避免：

当拥塞窗口 cwnd 达到一个阈值时，窗口大小不再呈指数上升，而是以线性上升，避免增长过快导致网络拥塞。 每当收到一个ACK，cwnd = cwnd + 1/cwnd，每当过了一个RTT，cwnd = cwnd + 1，

拥塞发生：当发生丢包进行数据包重传时，表示网络已经拥塞。分两种情况进行处理： 等到RTO超时，重传数据包；sshthresh = cwnd /2；cwnd 重置为 1 
3、进入慢启动过程 

在收到3个duplicate ACK时就开启重传，而不用等到RTO超时，sshthresh = cwnd = cwnd /2，进入快速恢复算法——Fast Recovery 
4、快速恢复：

至少收到了3个Duplicated Acks，说明网络也不那么糟糕，可以快速恢复。 cwnd = sshthresh + 3 * MSS （3的意思是确认有3个数据包被收到了） 。重传Duplicated ACKs指定的数据包，如果再收到 duplicated Acks，那么cwnd = cwnd +1，如果收到了新的Ack，那么，cwnd = sshthresh ，然后就进入了拥塞避免的算法了。