嵌入式学习----TCP和UDP通信的内核实现_内核态udp通讯-优快云博客

loop本地回环：
Loop本地回环，通常指的是以127开头的IP地址段（127.0.0.1 – 127.255.255.254），其中127.0.0.1是最常用的一个地址，被称为本地回环地址（Loop back address）。这个地址不属于任何一个有类别地址类，它代表设备的本地虚拟接口，因此默认被看作是永远不会宕掉的接口。在Windows操作系统中也有相似的定义，所以在不安装网卡前就可以ping通这个本地回环地址。

Loop本地回环的主要作用包括：

测试本机的网络配置：通过ping 127.0.0.1，可以检查本机的网卡和IP协议安装是否正常。如果能成功ping通，说明本机的网络配置基本没有问题。

TCP通信产生的粘包问题
粘包问题是TCP/IP通信中常见的一个问题，主要源于TCP的流式传输特性。在TCP协议中，数据是以流（stream）的形式传输的，这种流数据没有明确的数据开始和结尾边界，因此容易出现粘包现象。具体来说，当发送方连续发送多个数据包时，由于TCP的缓冲机制，这些数据包可能会被合并成一个大的数据包发送给接收方，或者在接收方由于接收缓冲区的原因，多个数据包被合并在一起处理，这就是粘包现象。

粘包问题的原因主要有两个方面：
发送方原因：TCP为提高传输效率，发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一包数据。若连续几次发送的数据都很少，TCP会根据优化算法把这些数据合成一包后一次发送出去，这样接收方就收到了粘包数据。

接收方原因：接收方用户进程不及时接收数据，导致多个数据包在接收方的缓冲区中粘连在一起，当后续数据到达时，这些数据包被一起处理，从而产生粘包现象。

粘包问题的解决方法：
1.使用特定结束符：
在每个数据包的末尾添加特定的结束符（如换行符\n），接收方在接收到数据时，根据结束符来区分数据包的边界。这种方法需要注意避免数据包内容中出现与结束符相同的字符，否则可能会导致误判。

2.固定数据大小：
发送方和接收方约定每个数据包的大小，当发送的数据不足约定大小时，用空字符或其他填充字符补齐。这种方法简单但不够灵活，且会增加额外的网络传输负担。

3.封装自定义数据协议：
在TCP协议的基础上封装一层自定义数据协议，该协议中包括数据头和数据体两部分。数据头中存储了数据体的大小等信息，接收方在接收到数据后，先解析数据头，根据数据头中的信息来提取数据体，从而避免粘包问题。这种方法实现起来相对复杂，但灵活性高，适用于多种场景。

4.还可以使用sleep这种延时的方式来解决，但对于时间精度的把握难度会很大。

recv函数和send函数：（专用于网络编程的read和write）
recv函数原型
recv函数的主要功能是从已连接的套接字接收数据。

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

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

参数：
sockfd/socket：套接字描述符/socket对象，用于标识要接收数据的套接字。

buf：指向缓冲区的指针/缓冲区，用于存储接收到的数据。在C语言中，它是一个void类型的指针。

len：缓冲区长度/bufsize，指定接收数据的最大字节数。如果接收到的数据大于这个长度，则多余的数据将被丢弃；如果小于这个长度，则实际接收到的数据将被存储在缓冲区中。

flags（可选）：用于指定接收数据的额外选项。一般设置为0，常见的选项包括MSG_WAITALL（等待所有数据到达）和MSG_DONTWAIT（非阻塞模式）等。

返回值
成功时，recv 返回接收到的字节数。如果连接被正常关闭，则返回 0。
如果发生错误，则返回 -1，并设置相应的 errno 以指示错误的类型。

注意事项
recv 函数是阻塞的，这意味着如果套接字上没有数据可读，调用 recv 的线程或进程将被挂起，直到数据到达或发生错误。
可以通过设置套接字为非阻塞模式或使用 select/poll/epoll 等机制来避免阻塞。
在实际应用中，由于网络延迟、拥塞等原因，recv 可能无法一次性接收到发送方发送的全部数据。因此，通常需要编写循环来不断接收数据，直到达到期望的数据量或遇到特定的结束标志。
接收到的数据可能不会以发送时的形式完全呈现，因为 TCP/IP 协议栈可能会对数据进行分片或重新排序。因此，在接收端，可能需要对数据进行重组或解析。

send函数：
用于实现数据的发送功能。

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

参数：
sockfd：套接字描述符，一个指向已打开套接字的引用，该套接字已连接到远端地址。
buf：指向要发送数据的缓冲区的指针。
len：指定要发送的数据的字节数。
flags：发送操作的控制标志。对于大多数应用程序，这个参数被设置为 0，但在某些情况下，可以指定特定的标志来修改 send 的行为。

返回值
成功时，send 函数返回实际发送的字节数。这个数可能小于请求发送的字节数，尤其是在非阻塞套接字上或者发送缓冲区已满时。
如果发送过程中出现错误，send 函数返回 -1，并设置相应的 errno 以指示错误的类型。

注意事项
1.send 函数在大多数情况下是阻塞的，即如果发送缓冲区已满，调用 send 的线程或进程将被挂起，直到发送缓冲区中有足够的空间可以容纳要发送的数据或发生错误。
可以通过设置套接字为非阻塞模式或使用 select/poll/epoll 等机制来避免阻塞。

2.在 TCP/IP 协议中，发送的数据可能会被分成多个数据包进行传输，并且这些数据包可能会以不同的顺序到达接收端。但是，TCP 协议保证了数据的完整性和顺序性，即接收端将按照发送的顺序接收并重新组装这些数据包。
由于网络延迟、拥塞等原因，send 函数可能无法立即发送所有数据。因此，在需要发送大量数据时，可能需要编写循环来不断发送数据，直到所有数据都被发送完毕。
在某些情况下，如发送非阻塞套接字上的数据时，send 函数可能返回小于请求发送的字节数的值，表示只有部分数据被发送。此时，应用程序需要处理这种情况，通常是通过再次调用 send 函数来发送剩余的数据。

TCP协议运输层的底层实现

TCP（传输控制协议）的首部是TCP协议数据包中的一个关键部分，它包含了用于传输控制的各种重要信息。TCP虽然是面向字节流的，但其传送的数据单元是报文段，一个TCP报文段分为首部和数据两部分。

1. 固定部分（前20个字节）
源端口（Source Port）：占2个字节，用于标识发送该TCP报文段的应用进程的端口号。

目的端口（Destination Port）：占2个字节，用于标识接收该TCP报文段的应用进程的端口号。

序号（Sequence Number）：占4个字节，用于标识发送方发送的数据段。序号范围是[0, 232 - 1]，序号增加到232-1后，下一个序号就回到0。TCP是面向字节流的，在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。

确认号（Acknowledgment Number）：占4个字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。例如，如果B正确收到了A发送的一个序号为501、长度为200字节的报文段，那么B期望收到的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为701。

数据偏移（Data Offset）：占4位，它指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远（以32位字即4字节为计算单位）。这个字段实际上是指出TCP报文段的首部长度，其最大值为15（即60字节），这也是TCP首部的最大长度。

保留（Reserved）：占6位，保留为今后使用，但目前应置为0。

控制位（Control Bits）：共6位，用于说明本报文段的性质，包括确认ACK、推送PSH、复位RST、同步SYN、终止FIN等。
ACK：仅当ACK=1时确认号字段才有效，TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1。
PSH：当两个应用进程进行交互式的通信时，TCP可以使用推送操作，发送方TCP把PSH置1，并立即创建一个报文段发送出去。
RST：当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
SYN：在连接建立时用来同步序号，当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。
FIN：用来释放一个连接，当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
窗口（Window）：占2字节，窗口值是[0, 2^16-1]之间的整数，窗口指的是发送本报文段的一方的接收窗口（而不是自己的发送窗口）。窗口值告诉对方，从本报文段首部中的确认号算起，接收方目前允许对方发送的数据量（以字节为单位）。

检验和（Checksum）：占2字节，用于检查数据的完整性和正确性，其检验的范围包括首部和数据这两部分。

紧急指针（Urgent Pointer）：占2字节，紧急指针仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数（紧急数据结束后就是普通数据）。
2. 可选部分
TCP报文段首部后面还可以有4n字节（n为整数）的可选字段，这些字段是根据需要而增加的，用于支持TCP的各种扩展功能