一、TCP通信基础原理

1.1 通信流程概述

TCP通信采用客户端-服务器模型，核心流程如下：

服务器端：

1. 创建套接字（Socket）

2. 绑定地址和端口（Bind）

3. 开始监听（Listen）

4. 接受连接（Accept）

5. 数据交互（Send/Recv）

6. 关闭连接（Close）

客户端：

1. 创建套接字（Socket）

2. 连接服务器（Connect）

3. 数据交互（Send/Recv）

4. 关闭连接（Close）

1.2 网络字节序

使用htonl()、htons()等函数处理端口和地址转换，保证不同架构设备间的兼容性。

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二、服务器端实现

2.1 完整代码

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

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_fd, client_fd;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    socklen_t addrlen = sizeof(address);
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建TCP套接字
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置套接字选项
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定地址
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 开始监听
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);

    // 接受连接
    if ((client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&address, &addrlen)) < 0) {
        perror("accept");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 接收数据
    ssize_t bytes_read = recv(client_fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
    if (bytes_read > 0) {
        buffer[bytes_read] = '\0';
        printf("Received: %s\n", buffer);
        
        // 发送响应
        const char* response = "Message received";
        send(client_fd, response, strlen(response), 0);
    }

    close(client_fd);
    close(server_fd);
    return 0;
}

2.2 关键代码解析

1. 套接字创建：

   socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)

   • AF_INET：IPv4协议

   • SOCK_STREAM：TCP协议类型

2. 地址重用选项：

   setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))

   避免"Address already in use"错误

3. 绑定地址：

   bind(server_fd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address))

   • INADDR_ANY 表示绑定所有网络接口

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三、客户端实现

3.1 完整代码

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

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sock;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建套接字
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 转换IP地址
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("invalid address");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 连接服务器
    if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        perror("connection failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 发送数据
    const char* message = "Hello Server!";
    send(sock, message, strlen(message), 0);
    printf("Sent: %s\n", message);

    // 接收响应
    ssize_t bytes_received = recv(sock, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
    if (bytes_received > 0) {
        buffer[bytes_received] = '\0';
        printf("Response: %s\n", buffer);
    }

    close(sock);
    return 0;
}

3.2 关键代码解析

1. 地址转换：

   inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &serv_addr.sin_addr)

   将点分十进制IP转换为二进制格式

2. 连接超时处理：
   实际项目中建议添加超时设置：

   struct timeval timeout = {5, 0}; // 5秒超时
   setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &timeout, sizeof(timeout));

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四、编译与测试

4.1 编译方法

# 编译服务器
gcc server.c -o server

# 编译客户端
gcc client.c -o client

4.2 运行测试

# 服务器端
./server

# 客户端（另启终端）
./client

4.3 预期输出

服务器端：

Server listening on port 8080...
Received: Hello Server!

客户端：

Sent: Hello Server!
Response: Message received

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五、进阶开发指南

5.1 多客户端支持

使用多线程处理并发连接：

#include <pthread.h>

void* client_handler(void* arg) {
    int client_fd = *(int*)arg;
    // 处理客户端请求
    close(client_fd);
    pthread_exit(NULL);
}

// 在accept循环中
while(1) {
    int client_fd = accept(...);
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, client_handler, &client_fd);
    pthread_detach(thread);
}

5.2 数据完整性保障

1. 添加包头校验：

struct packet_header {
    uint32_t magic;     // 固定标识 0xDEADBEEF
    uint32_t length;    // 数据长度
    uint16_t checksum;  // CRC校验
};

1. 使用循环接收确保完整数据：

size_t total_received = 0;
while(total_received < expected_len) {
    ssize_t n = recv(fd, buffer+total_received, expected_len-total_received, 0);
    if(n <= 0) break;
    total_received += n;
}

5.3 性能优化技巧

1. 禁用Nagle算法：

int flag = 1;
setsockopt(sock, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, &flag, sizeof(int));

1. 调整缓冲区大小：

int buf_size = 1024 * 1024; // 1MB
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &buf_size, sizeof(int));

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六、常见问题排查

问题现象	可能原因	解决方案
Connection refused	服务器未启动/端口未开放	检查服务状态和防火墙设置
Address already in use	端口被占用	设置SO_REUSEADDR选项
数据不完整	未处理部分发送/接收	使用循环发送接收逻辑
连接超时	网络不通/服务器无响应	使用telnet测试端口连通性
数据乱码	未正确处理字符串终止符	确保接收缓冲区添加'\0'

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七、扩展应用场景

1. 文件传输工具：实现文件分块传输和校验

2. 即时通讯系统：支持多用户文本消息传递

3. 远程监控系统：实时传输传感器数据

4. 分布式计算节点：任务分配与结果收集

通过本指南，开发者可以快速搭建基础的TCP通信测试环境，并根据实际需求进行功能扩展。建议结合Wireshark等网络分析工具进行协议级调试，以深入理解TCP通信机制。