[网络协议]TCP/UDP编程基础

一、TCP/UDP

（一）TCP

1.简介

• 传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是为了在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流而专门设计的一个传输协议。
• 互联网络与单个网络有很大的不同，因为互联网络的不同部分可能有截然不同的拓扑结构、带宽、延迟、数据包大小和其他参数。TCP的设计目标是能够动态地适应互联网络的这些特性，而且具备面对各种故障时的健壮性。
• 不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。
• 应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（MTU）的限制）。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。
• 每台支持TCP的机器都有一个TCP传输实体。TCP实体可以是一个库过程、一个用户进程，或者内核的一部分。在所有这些情形下，它管理TCP流，以及与IP层之间的接口。TCP传输实体接受本地进程的用户数据流，将它们分割成不超过64KB（实际上去掉IP和TCP头，通常不超过1460数据字节）的分段，每个分段以单独的IP数据报形式发送。当包含TCP数据的数据报到达一台机器时，它们被递交给TCP传输实体，TCP传输实体重构出原始的字节流。为简化起见，我们有时候仅仅用“TCP”来代表TCP传输实体（一段软件）或者TCP协议（一组规则）。根据上下文语义你应该能很消楚地推断出其实际含义。例如，在“用户将数据交给TCP”这句话中，很显然这里指的是TCP传输实体。
• IP层并不保证数据报一定被正确地递交到接收方，也不指示数据报的发送速度有多快。正是TCP负责既要足够快地发送数据报，以便使用网络容量，但又不能引起网络拥塞：而且，TCP超时后，要重传没有递交的数据报。即使被正确递交的数据报，也可能存在错序的问题，这也是TCP的责任，它必须把接收到的数据报重新装配成正确的顺序。简而言之，TCP必须提供可靠性的良好性能，这正是大多数用户所期望的而IP又没有提供的功能。

2.主要功能

• 当应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，TCP则把数据流分割成适当长度的报文段，最大传输段大小（MSS）通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元（MTU）限制。之后TCP把数据包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。

• TCP为了保证报文传输的可靠，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。

• ①在数据正确性与合法性上，TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和；同时可以使用md5认证对数据进行加密。
  ②在保证可靠性上，采用超时重传和捎带确认机制。
  ③在流量控制上，采用滑动窗口协议，协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。
  ④在拥塞控制上，采用广受好评的TCP拥塞控制算法（也称AIMD算法）。

• 四个算法：
  （1）慢启动
  每当建立一个TCP连接时或一个TCP连接发生超时重传后，该连接便进入慢启动阶段。进入慢启动后，TCP实体将拥塞窗口的大小初始化为一个报文段，即：cwnd=1。此后，每收到一个报文段的确认（ACK），cwnd值加1，即拥塞窗口按指数增加。当cwnd值超过慢启动阐值（ssthresh）或发生报文段丢失重传时，慢启动阶段结束。前者进入拥塞避免阶段，后者重新进入慢启动阶段。
  （2）拥塞避免
  在慢启阶段，当cwnd值超过慢启动阐值（ssthresh）后，慢启动过程结束，TCP连接进入拥塞避免阶段。在拥塞避免阶段，每一次发送的cwnd个报文段被完全确认后，才将cwnd值加1。在此阶段，cwnd值线性增加。
  （3）快速重传
  快速重传是对超时重传的改进。当源端收到对同一个报文的三个重复确认时，就确定一个报文段已经丢失，因此立刻重传丢失的报文段，而不必等到重传定时器（RTO）超时。以此减少不必要的等待时间。
  （4）快速恢复
  快速恢复是对丢失恢复机制的改进。在快速重传之后，不经过慢启动过程而直接进入拥塞避免阶段。每当快速重传后，置ssthresh=cwnd/2、ewnd=ssthresh+3。此后，每收到一个重复确认，将cwnd值加1，直至收到对丢失报文段和其后若干报文段的累积确认后，置cwnd=ssthresh，进入拥塞避免阶段。

3.主要特点

• TCP是一种面向广域网的通信协议，目的是在跨越多个网络通信时，为两个通信端点之间提供一条具有下列特点的通信方式：
  （1）基于流的方式；
  （2）面向连接；
  （3）可靠通信方式；
  （4）在网络状况不佳的时候尽量降低系统由于重传带来的带宽开销；
  （5）通信连接维护是面向通信的两个端点的，而不考虑中间网段和节点。
• 为满足TCP协议的这些特点，TCP协议做了如下的规定：
  ①数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组；
  ②到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认；
  ③超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片；
  ④滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；
  ⑤失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层；
  ⑥重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据；
  ⑦数据校验：TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发。

4.工作方式

• 建立连接
  TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接，TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。
• 连接终止：
  建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。

（二）UDP

1.简介

• UDP 是User Datagram Protocol的简称， 中文名是用户数据包协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联） 参考模型中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，IETF RFC 768 [1] 是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。
• UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包，在OSI模型中，两者都位于传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但即使在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。

2.主要功能

• 为了在给定的主机上能识别多个目的地址，同时允许多个应用程序在同一台主机上工作并能独立地进行数据包的发送和接收，设计用户数据报协议UDP。
• UDP使用底层的互联网协议来传送报文，同IP一样提供不可靠的无连接数据包传输服务。它不提供报文到达确认、排序、及流量控制等功能。
• UDP Helper可以实现对指定UDP端口广播报文的中继转发，即将指定UDP端口的广播报文转换为单播报文发送给指定的服务器，起到中继的作用。

3.主要特点

• UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
• 由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
• UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包而言UDP的额外开销很小。
  吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
• UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。
• 虽然UDP是一个不可靠的协议，但它是分发信息的一个理想协议。例如，在屏幕上报告股票市场、显示航空信息等等。UDP也用在路由信息协议RIP（Routing Information Protocol）中修改路由表。在这些应用场合下，如果有一个消息丢失，在几秒之后另一个新的消息就会替换它。UDP广泛用在多媒体应用中。

（三）协议对比

• TCP 是面向连接的传输控制协议，而UDP 提供了无连接的数据报服务；TCP 具有高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序；UDP 在传输数据前不建立连接，不对数据报进行检查与修改，无须等待对方的应答，所以会出现分组丢失、重复、乱序，应用程序需要负责传输可靠性方面的所有工作；UDP 具有较好的实时性，工作效率较 TCP 协议高；UDP 段结构比 TCP 的段结构简单，因此网络开销也小。TCP 协议可以保证接收端毫无差错地接收到发送端发出的字节流，为应用程序提供可靠的通信服务。对可靠性要求高的通信系统往往使用 TCP 传输数据。比如 HTTP 运用 TCP 进行数据的传输。
• UDP和TCP协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面不同。TCP协议中包含了专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动向发送方发出确认消息；发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息，否则将一直等待直到收到确认信息为止。与TCP不同，UDP协议并不提供数据传送的保证机制。如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据包的丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。因此，通常人们把UDP协议称为不可靠的传输协议。

二、用C#编写简单hello world程序

用C#、Java或python编写一个命令行/控制台的简单hello world程序，实现如下功能：在屏幕上连续输出50行“hello cqjtu！重交物联2019级”；同时打开一个网络UDP 套接字，向另一台室友电脑发送这50行消息。

（一）创建项目

双击打开visual studio，点击创建新项目。

选择控制台应用(.NET Framework)。
没有看到就划到最下面去安装。（我就没有）

选择，点击修改，点下载时安装也行吧。

在下载安装了。

现在有了，选择然后下一步。

填写项目名称，选择存放位置，然后创建。

创建完成。

（二）编写代码

在 Main 函数内书写入如下的代码（功能：连续输出 50 行数据）。

for(int i = 0; i < 50; i++)
            {
                Console.WriteLine("第{0}行：hello cqjtu！重交物联2019级", (i + 1));
            }
            System.Console.ReadKey();

（三）编译运行

点击绿色小三角，编译运行。

输出结果如下。

（四）电脑间传输

自己电脑上新建项目Client，作为客户端，代码如下。

另一台电脑新建项目Server，作为服务端，代码如下。

如何查看电脑的IP地址Windows+R，cmd打开，输入命令ipconfig。



运行
客户端

服务端

三、用C#编写简单Form窗口程序

用VS2017/2019 的C#编写一个简单的Form窗口程序，有一个文本框 textEdit和一个发送按钮button，运行程序后，可以在文本框里输入文字，如“hello cqjtu！重交物联2019级”，点击button，将这些文字发送给室友电脑，采用UDP套接字，编写端口扫描器程序，分别采用单一进程和多线程方式，对比两者的效果。

（一）创建项目

双击打开visual studio，点击创建新项目。

选中Windows 窗体应用，再点击下一步。

填写项目名称，选择存放位置，然后创建。

创建完成。

（二）设计界面

点击左边工具箱，选择需要的控件。


需要2个TextBox和1个Button控件，先随意摆。

设置消息输入框属性：

• 点击下面的TextBox，右下角的属性中找到 Font 属性，点击 “ … ” 。
  
  可以设置文本样式。
  
• 在设计属性中的(Name)，默认的 textBox2 ，可以更改，但不能重复，唯一标识，这是控件的编号，用于代码编写的时候识别，就像是身份证号一样，不能出现中文。
  
• 在布局这里，Location 是指控件左上角顶点基于窗口所在的位置，Size 是指控件的长和宽，可以自行设置。
  

设置消息显示框属性：

• 选中上面的TextBox ，点击黑色的小三角按钮，勾选可以将单行文本框设置为多行文本框。
  
• 添加垂直滚动条：找到 ScrollBars 属性，设置参数为 Vertical 。
  
• 设置边界样式：找到 BorderStyle ，参数设置为 FixedSingle 。
  
• 设置消息显示界面的 TextBox 不可编辑：找到 Enabled 属性，参数设为 False 。
  

设置按钮属性：

• 点击选中按钮，找到 Text 属性，参数输入为 “ 发送 ” ，则控件上就会显示输入的字样。
  

设置窗体属性：

• 左击窗体选中它，在右下角的属性中找到 Text 属性，编辑为 “ 客户端 ” ，然后窗体的左上角，就显示为 “ 客户端 ”。 AcceptButton 属性，下拉框选中这个 button1 按钮，设置完这个属性后，当我们最后执行这个程序后，按下回车键就相当于点击这个按钮。
  

设置完成，整体展示。

（三）编写代码

双击“发生”按钮，跳转到代码界面，在函数内写入代码。
整体代码。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;

namespace WindowsFormsApp1
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            try
            {
                /*
                 * 显示当前时间
                 */
                string str = "The current time: ";
                str += DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
                /*
                 * 做好连接准备
                 */
                int port = 2000;
                string host = "*********";//服务端IP地址
                IPAddress ip = IPAddress.Parse(host);
                IPEndPoint ipe = new IPEndPoint(ip, port);//把ip和端口转化为IPEndPoint实例
                Socket c = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);//创建一个Socket
                /*
                 * 开始连接
                 */
                str = "Connect to server...";
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
                c.Connect(ipe);//连接到服务器
                /*
                 *发送消息 
                 */
                string sendStr = textBox1.Text;
                str = "The message content: " + sendStr;
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
                byte[] bs = Encoding.UTF8.GetBytes(sendStr);
                str = "Send the message to the server...";
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
                c.Send(bs, bs.Length, 0);//发送信息
                /*
                 * 接收服务器端的反馈信息
                 */
                string recvStr = "";
                byte[] recvBytes = new byte[1024];
                int bytes;
                bytes = c.Receive(recvBytes, recvBytes.Length, 0);//从服务器端接受返回信息
                recvStr += Encoding.UTF8.GetString(recvBytes, 0, bytes);
                str = "The server feedback: " + recvStr;//显示服务器返回信息
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
                /*
                 * 关闭socket
                 */
                c.Close();
            }
            catch (ArgumentNullException f)
            {
                string str = "ArgumentNullException: " + f.ToString();
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
            }
            catch (SocketException f)
            {
                string str = "ArgumentNullException: " + f.ToString();
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
            }
            textBox2.AppendText("" + Environment.NewLine);
            textBox1.Text = "";
        }
    }
}

以上都是客户端界面与代码，现在写服务端。
与第二步中选择==控制台应用(.NET Framework)==新建一个项目。

main函数中写入以下代码。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace ConsoleApp2
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            /*
             * 做好连接准备
             */
            int i = 0;
            int port = 2000;
            string host = "*******";//ip地址
            IPAddress ip = IPAddress.Parse(host);
            IPEndPoint ipe = new IPEndPoint(ip, port);
            Socket s = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);//创建一个Socket类
            s.Bind(ipe);//绑定2000端口
            /*
             * 循环监听并处理消息
             */
            while (true)
            {
                i++;
                try
                {
                    Console.Write("Perform operations {0} :",i);
                    Console.WriteLine("\t-----------------------------------------------");
                    s.Listen(0);//开始监听
                    Console.WriteLine("1. Wait for connect...");
                    /*
                     * 实例一个新的socket端口
                     */
                    Socket temp = s.Accept();//为新建连接创建新的Socket。
                    Console.WriteLine("2. Get a connect");
                    /*
                     * 接收客户端发的消息并做解码处理
                     */
                    string recvStr = "";
                    byte[] recvBytes = new byte[1024];
                    int bytes;
                    bytes = temp.Receive(recvBytes, recvBytes.Length, 0);//从客户端接受信息
                    recvStr += Encoding.UTF8.GetString(recvBytes, 0, bytes);
                    Console.WriteLine("3. Server Get Message:{0}", recvStr);//把客户端传来的信息显示出来
                    /*
                     * 返回给客户端连接成功的消息
                     */
                    string sendStr = "Ok!Client send message sucessful!";
                    byte[] bs = Encoding.UTF8.GetBytes(sendStr);
                    temp.Send(bs, bs.Length, 0);//返回客户端成功信息
                    /*
                     * 关闭端口
                     */
                    temp.Close();
                    Console.WriteLine("4. Completed...");
                    Console.WriteLine("-----------------------------------------------------------------------");
                    Console.WriteLine("");
                    //s.Close();//关闭socket（由于再死循环中，所以不用写，但如果是单个接收，实例socket并完成任务后需关闭）
                }
                catch (ArgumentNullException e)
                {
                    Console.WriteLine("ArgumentNullException: {0}", e);
                }
                catch (SocketException e)
                {
                    Console.WriteLine("SocketException: {0}", e);
                }
            }
        }
    }
}

（四）编译运行

客户端：

服务端：

参考文献

C#利用套接字实现数据发送
C#使用TCP/UDP协议通信并用Wireshark抓包分析数据