C++ TCP通信原理与实现

C++ 中 TCP 通信的原理基于 TCP/IP 协议栈的实现，以下是核心原理和关键步骤的详细说明：

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一、TCP 通信核心原理

1. 面向连接

   • 通信双方需通过 三次握手 建立可靠连接，确保通信通道稳定。
   • 通过 四次挥手 断开连接，保证数据完整性。

2. 可靠传输

   • 确认应答（ACK）：接收方对收到的数据发送确认。
   • 超时重传：未收到 ACK 时，发送方自动重传数据。
   • 数据排序：通过序列号保证数据按序到达。

3. 流量控制与拥塞控制

   • 滑动窗口协议动态调整发送速率，避免接收方缓冲区溢出。
   • 拥塞控制算法（如慢启动、拥塞避免）防止网络过载。

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二、C++ 实现 TCP 通信的步骤

1. 服务器端流程

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>int main() {// 1. 创建套接字int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 2. 绑定地址和端口struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定所有网卡addr.sin_port = htons(8080);       // 端口号bind(server_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));// 3. 监听连接listen(server_fd, 5); // 最大等待队列长度// 4. 接受客户端连接int client_fd;struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_len = sizeof(client_addr);client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);// 5. 收发数据char buffer[1024];recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0); // 接收数据send(client_fd, "Hello Client", 12, 0);     // 发送数据// 6. 关闭连接close(client_fd);close(server_fd);
}

2. 客户端流程

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>int main() {// 1. 创建套接字int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 2. 连接服务器struct sockaddr_in server_addr;server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(8080);inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr); // 服务器IPconnect(sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));// 3. 收发数据send(sock, "Hello Server", 12, 0);recv(sock, buffer, sizeof(buffer), 0);// 4. 关闭连接close(sock);
}

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三、关键函数说明

1. socket()

   • 创建套接字，返回文件描述符。
   • 参数：AF_INET（IPv4）、SOCK_STREAM（TCP）。

2. bind()

   • 将套接字绑定到特定 IP 和端口。

3. listen()

   • 进入监听状态，等待客户端连接请求。

4. accept()

   • 阻塞等待客户端连接，返回新的套接字用于通信。

5. connect()

   • 客户端主动连接服务器。

6. send() / recv()

   • 发送和接收数据（注意处理粘包问题）。

7. close()

   • 关闭套接字，释放资源。

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四、注意事项

1. 错误处理

   • 所有函数调用需检查返回值（如 socket() 返回 -1 表示失败）。

2. 字节序转换

   • 使用 htons()、htonl() 转换网络字节序（大端模式）。

3. 粘包问题

   • 需自定义协议（如消息头包含数据长度）处理 TCP 的流式特性。

4. 跨平台差异

   • Windows 使用 WSAStartup() 初始化 Winsock，Linux 无需此步骤。

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五、总结

TCP 通信通过三次握手建立可靠连接，利用序列号、ACK 确认和重传机制保证数据可靠传输。在 C++ 中，通过套接字 API 实现服务端和客户端的通信逻辑，需注意错误处理、字节序转换及粘包问题。实际开发中可借助 Boost.Asio 或 libevent 等库简化操作。