Linux软件编程：TCP通信

1. TCP协议简介

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。它在网络编程中广泛应用于需要可靠数据传输的场景，如文件传输、网页访问、邮件传输等。TCP通过三次握手建立连接，通过四次挥手释放连接，并提供了确认机制、流量控制、拥塞控制等功能，保证数据有序、无差错、不重复地传输。

在Linux系统中，TCP网络编程主要通过套接字（Socket）接口实现。本文将详细介绍TCP通信的基本流程、关键函数接口，并通过一个文件传输的示例代码帮助读者理解实际应用。

2. TCP通信流程

TCP通信分为服务器端和客户端两部分。服务器端通常被动等待连接，客户端主动发起连接。基本流程如下：

服务器端（收端）流程：

客户端（发端）流程：

下面用流程图示意：

text

服务器端：
socket() → bind() → listen() → accept() → recv()/send() → close()
↑
客户端：
socket() → connect() → send()/recv() → close()

3. 主要函数接口详解

以下函数均定义在 <sys/socket.h> 中，使用时需包含相关头文件。

3.1 socket() — 创建套接字

c

int socket(int domain, int type, int protocol);

• 功能：创建一个套接字，返回文件描述符。

• 参数：

  • domain：协议族，IPv4使用 AF_INET。

  • type：套接字类型，TCP使用 SOCK_STREAM（流式套接字）。

  • protocol：协议，通常填0，表示自动选择对应协议（TCP对应IPPROTO_TCP）。

• 返回值：成功返回新套接字的文件描述符，失败返回-1。

3.2 bind() — 绑定地址

c

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 功能：将套接字与本地IP地址和端口号绑定。

• 参数：

  • sockfd：socket返回的文件描述符。

  • addr：指向 struct sockaddr_in 结构体的指针，包含IP地址和端口号（注意类型转换）。

  • addrlen：地址结构体的长度。

• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

• 注意：只能绑定自己的IP地址，端口号不能重复绑定。

3.3 listen() — 监听连接

c

int listen(int sockfd, int backlog);

• 功能：将套接字设置为监听状态，等待客户端连接。

• 参数：

  • sockfd：已绑定的套接字。

  • backlog：未处理的三次握手请求的最大排队个数（即已完成三次握手但尚未被accept的连接队列长度）。

• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

3.4 accept() — 接受连接

c

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• 功能：从监听队列中取出第一个连接请求，并返回一个新的套接字用于与该客户端通信。

• 参数：

  • sockfd：监听套接字。

  • addr：用于存放客户端地址信息的缓冲区指针，可为NULL。

  • addrlen：传入时指定addr缓冲区大小，返回时实际地址长度。

• 返回值：成功返回新的通信套接字文件描述符，失败返回-1。

3.5 connect() — 发起连接

c

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 功能：客户端向服务器发起连接请求（三次握手）。

• 参数：

  • sockfd：客户端套接字。

  • addr：服务器地址信息。

  • addrlen：地址长度。

• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

3.6 send() — 发送数据

c

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

• 功能：通过已连接的套接字发送数据。

• 参数：

  • sockfd：通信套接字（服务器端accept返回的套接字或客户端socket）。

  • buf：待发送数据的缓冲区。

  • len：发送的数据长度。

  • flags：标志位，通常设为0。

• 返回值：成功返回实际发送的字节数，失败返回-1。

3.7 recv() — 接收数据

c

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

• 功能：从已连接的套接字接收数据。

• 参数：

  • sockfd：通信套接字。

  • buf：接收缓冲区。

  • len：缓冲区大小。

  • flags：标志位，通常设为0。

• 返回值：成功返回实际接收的字节数，若对方关闭连接则返回0，失败返回-1。

3.8 close() — 关闭套接字

c

int close(int fd);

• 功能：关闭套接字，释放资源。

4. 代码实例：使用TCP实现文件传输

下面实现一个简单的文件传输程序：客户端将本地文件发送给服务器，服务器接收并保存为另一个文件。

服务器端代码（tcp_server.c）

c

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

#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <save_filename>\\n", argv[0]);
exit(1);
}

int listen_fd, conn_fd;
struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
char buffer[BUFFER_SIZE];
FILE *fp;

// 1. 创建套接字
listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listen_fd == -1) {
perror("socket");
exit(1);
}

// 2. 绑定地址
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 监听所有网卡
server_addr.sin_port = htons(PORT);

if (bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
perror("bind");
close(listen_fd);
exit(1);
}

// 3. 监听
if (listen(listen_fd, 5) == -1) {
perror("listen");
close(listen_fd);
exit(1);
}

printf("Server listening on port %d…\\n", PORT);

// 4. 接受连接
conn_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
if (conn_fd == -1) {
perror("accept");
close(listen_fd);
exit(1);
}
printf("Client connected: %s:%d\\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

// 打开文件准备写入
fp = fopen(argv[1], "wb");
if (fp == NULL) {
perror("fopen");
close(conn_fd);
close(listen_fd);
exit(1);
}

// 5. 接收数据并写入文件
int bytes;
while ((bytes = recv(conn_fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0)) > 0) {
fwrite(buffer, 1, bytes, fp);
}
if (bytes == 0) {
printf("File transfer completed.\\n");
} else {
perror("recv");
}

fclose(fp);
close(conn_fd);
close(listen_fd);
return 0;
}

客户端代码（tcp_client.c）

c

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

#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 3) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <server_ip> <filename>\\n", argv[0]);
exit(1);
}

int sock_fd;
struct sockaddr_in server_addr;
char buffer[BUFFER_SIZE];
FILE *fp;

// 1. 创建套接字
sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sock_fd == -1) {
perror("socket");
exit(1);
}

// 2. 设置服务器地址
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(PORT);
if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr) <= 0) {
perror("inet_pton");
close(sock_fd);
exit(1);
}

// 3. 连接服务器
if (connect(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
perror("connect");
close(sock_fd);
exit(1);
}
printf("Connected to server %s:%d\\n", argv[1], PORT);

// 打开待发送文件
fp = fopen(argv[2], "rb");
if (fp == NULL) {
perror("fopen");
close(sock_fd);
exit(1);
}

// 4. 发送文件内容
int bytes;
while ((bytes = fread(buffer, 1, BUFFER_SIZE, fp)) > 0) {
if (send(sock_fd, buffer, bytes, 0) == -1) {
perror("send");
break;
}
}
printf("File sent.\\n");

fclose(fp);
close(sock_fd);
return 0;
}

编译与运行：

bash

gcc tcp_server.c -o server
gcc tcp_client.c -o client

# 先运行服务器（指定保存的文件名）
./server received_file

# 再运行客户端（指定服务器IP和要发送的文件）
./client 192.168.1.100 myfile.txt

5. UDP与TCP的区别

PDF中总结了UDP和TCP的主要区别，这里整理成表格形式：

TCP的复杂性带来了可靠性，但也增加了开销和延迟。UDP则轻量高效，适合实时通信。

6. 总结

本文详细介绍了Linux下TCP网络编程的基本流程和核心函数接口，并通过一个文件传输示例展示了实际应用。TCP的面向连接特性保证了数据传输的可靠性，适用于对数据完整性要求高的场景。掌握TCP编程是学习网络通信的基础，读者可以在此基础上进一步探索多线程并发服务器、IO多路复用等高级主题。

练习：客户端与服务端的双向通信

client：

serve：