Qt中Socket的理解和使用(Tcp/Udp)

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TCP（传输控制协议）是一种可靠的、面向流的、面向连接的传输协议。

UDP（用户数据报协议）是一种不可靠、面向数据报的无连接协议。

TCP 更适合连续传输数据，而在可靠性不重要时可以使用更轻量级的 UDP。

classDiagram
direction BT
QSslSocket --|> QTcpSocket
QTcpSocket --|> QAbstractSocket
QUdpSocket --|> QAbstractSocket
QAbstractSocket --|> QIODevice

網絡協議

计算机与网络设备要相互通信，双方就必须基于相同的方法。比如，如何探测到通信目标、由哪一边先发起通信、使用哪种语言进行通信、怎样结束通信等规则都需要事先确定。不同的硬件、操作系统之间的通信，所有的这一切都需要一种规则。而我们就把这种规则称为协议（protocol）。

OSI七层协议

开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model，缩写为 OSI）

20220703134301

层级 简介 问题 作用
应用层 人做好信息，往下发 计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口 直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作
表示层 翻译一下 负责数据格式的转换 将应用处理的信息转换为适合网络传输的格式，或者将来自下一层的数据转换为上层能处理的格式
会话层 打包 虽然已经可以实现给正确的计算机，发送正确的封装过后的信息了。但我们总不可能每次都要调用传输层协议去打包，然后再调用IP协议去找路由，所以我们要建立一个自动收发包，自动寻址的功能 建立和管理应用程序之间的通信
传输层 把包发给下层 当发送大量数据时，很可能会出现丢包的情况，另一台电脑要告诉是否完整接收到全部的包。如果缺了，就告诉丢了哪些包，然后再发一次，直至全部接收为止 监控数据传输服务的质量，保证报文的正确传输
网络层 报文：给包贴个ip地址的标签 计算机网络中如果有多台计算机，怎么找到要发的那台？如果中间有多个节点，怎么选择路径？这就是路由要做的事 通过路由选择算法，为报文（该层的数据单位，由上一层数据打包而来）通过通信子网选择最适当的路径。这一层定义的是IP地址，通过IP地址寻址，所以产生了IP协议
数据链路层 帧：查表ip转mac，然后转成电信号 在计算机网络中由于各种干扰的存在，物理链路是不可靠的。该层的主要功能就是：通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路 它的具体工作是接收来自物理层的位流形式的数据，并封装成帧，传送到上一层；同样，也将来自上层的数据帧，拆装为位流形式的数据转发到物理层。这一层的数据叫做帧
物理层 定义好各种信号的意思，线路和插口的格式，发送吧 解决两个硬件之间怎么通信的问题，常见的物理媒介有光纤、电缆、中继器等。它主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等 它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后在转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换）。这一层的数据叫做比特

TCP/IP网络模型

TCP/IP 是互联网相关的各类协议族的总称，比如：TCP，UDP，IP，FTP，HTTP，ICMP，SMTP 等都属于 TCP/IP 族内的协议。

TCP/IP模型是互联网的基础，它是一系列网络协议的总称。这些协议可以划分为四层，分别为链路层、网络层、传输层和应用层。

链路层：负责封装和解封装IP报文，发送和接受ARP/RARP报文等。 网络层：负责路由以及把分组报文发送给目标网络或主机。 传输层：负责对报文进行分组和重组，并以TCP或UDP协议格式封装报文。 应用层：负责向用户提供应用程序，比如HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

在网络体系结构中网络通信的建立必须是在通信双方的对等层进行，不能交错。 在整个数据传输过程中，数据在发送端时经过各层时都要附加上相应层的协议头和协议尾（仅数据链路层需要封装协议尾）部分，也就是要对数据进行协议封装，以标识对应层所用的通信协议。

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Socket的理解

socket抽象层都是操作系统封装好的.除非你是系统开发工程师，所以一般的软件开发工程都是使用socket提供的接口结合应用层的协议开发应用程序，常见的应用层协议像是HTTP、HTTPS用于web开发，MQTT用于物联网设备间的通信

flowchart BT
    subgraph yyc[应用层]
        direction BT
        llq[浏览器]
        qq[QQ]
        wx[微信]
        yx[邮箱]
        yyy[网易云音乐]
    end

    subgraph csc[传输层]
        direction BT
        TCP
        UDP
    end

    subgraph wlc[网络层]
        direction LR
        ICMP---IP---IGMP
    end

    subgraph llc[链路层]
        direction LR
        ARP---jk[硬件接口]---RARP
    end

    媒体<-->llc<-->wlc<-->csc<-->Socket抽象层<-->yyc

Udp概述

UDP协议全称是用户数据报协议，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。在OSI模型中，在第四层——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。

面向无连接

首先 UDP 是不需要和 TCP一样在发送数据前进行三次握手建立连接的，想发数据就可以开始发送了。并且也只是数据报文的搬运工，不会对数据报文进行任何拆分和拼接操作。

具体来说就是：

在发送端，应用层将数据传递给传输层的 UDP 协议，UDP 只会给数据增加一个 UDP 头标识下是 UDP 协议，然后就传递给网络层了 在接收端，网络层将数据传递给传输层，UDP 只去除 IP 报文头就传递给应用层，不会任何拼接操作

有单播，多播，广播的功能

UDP 不止支持一对一的传输方式，同样支持一对多，多对多，多对一的方式，也就是说 UDP 提供了单播，多播，广播的功能。

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IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。因此，应用程序必须选择合适大小的报文

不可靠性

首先不可靠性体现在无连接上，通信都不需要建立连接，想发就发，这样的情况肯定不可靠。

并且收到什么数据就传递什么数据，并且也不会备份数据，发送数据也不会关心对方是否已经正确接收到数据了。

再者网络环境时好时坏，但是 UDP 因为没有拥塞控制，一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好，也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包，但是优点也很明显，在某些实时性要求高的场景（比如电话会议）就需要使用 UDP 而不是 TCP。

头部开销小

传输数据报文时是很高效的。UDP 头部包含了以下几个数据：

两个十六位的端口号，分别为源端口（可选字段）和目标端口 整个数据报文的长度 整个数据报文的检验和（IPv4 可选 字段），该字段用于发现头部信息和数据中的错误 因此 UDP 的头部开销小，只有八字节，相比 TCP 的至少二十字节要少得多，在传输数据报文时是很高效的

Tcp概述

当一台计算机想要与另一台计算机通讯时，两台计算机之间的通信需要畅通且可靠，这样才能保证正确收发数据。例如，当你想查看网页或查看电子邮件时，希望完整且按顺序查看网页，而不丢失任何内容。当你下载文件时，希望获得的是完整的文件，而不仅仅是文件的一部分，因为如果数据丢失或乱序，都不是你希望得到的结果，于是就用到了TCP。

TCP协议全称是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，由 IETF 的RFC 793定义。TCP 是面向连接的、可靠的流协议。流就是指不间断的数据结构，你可以把它想象成排水管中的水流。

TCP连接过程

20220704172448

  1. 客户端发送的TCP报文中标志位SYN置1，初始序号seq=x（随机选择）。Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
  2. 服务器收到数据包后，根据标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=x+1，随机产生一个初始序号seq=y，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
  3. Client收到确认后，检查ack是否为x+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，并将该数据包发送给Server。Server检查ack是否为y+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

TCP断开链接

20220704172700

  1. Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
  2. Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为u + 1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
  3. Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
  4. Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态(主动关闭方才会进入该状态），接着发送一个ACK给Server，确认序号为w + 1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手

为什么要三次握手

TCP连接是可靠的双工通信，在连接建立阶段必须确认双向通信都是OK的。理论上来讲这需要至少四次交互：

  1. Client发送SYN
  2. Server响应ACK
  3. Server发送SYN
  4. Client响应ACK(如果没有这一步，Server无法知道Client能否收到自己的消息）

1、2两步让Client知道自己和Server之间的双向通信是OK的 3、4两步让Server知道自己和Client之间的双向通信是OK的 实际应用中，2、3两步合并了，所以最终就只有三次握手

三次握手还可以解决网络中延迟的重复分组问题。 假设TCP连接建立过程只有两次握手：1.Client发送SYN 2.Server响应ACK。 如果出现下面的情况，服务端就会出问题：

Client发送SYN Client端超时未收到Server的ACK，重发SYN Server端收到Client重发的SYN，响应ACK Client收到ACK后，和Server正常数据交互，然后关闭连接 Client第一次发送的SYN并未丢失，而是由于网络延迟，现在才到达Server端 Server发送ACK（Server认为TCP连接已建立） Client收到Server的ACK，由于Client认为自己并未请求连接，所以会忽略该ACK（不同于SYN，ACK报文不需要回复） 这时Server认为连接已经建立，一直等待客户端数据；客户端却根本不知道有这么一条连接

为什么要四次挥手断开连接

TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭:当一方完成它的数据发送任务后就发送一个FIN来终止这个方向的连接，对端收到后回复一个ACK报文，这样双向就需要四次交互。

Client主动关闭的情况下，Server收到Client的FIN报文时，仅仅表示Client没有数据发送给Server了；但Server可能还有数据要发送给Client，所以Server可能并不会立即关闭SOCKET，而是先回复一个ACK报文，告诉Client“你发的FIN报文我收到了”。只有等到Server所有的报文都发送完了，才发送FIN报文。也就是说，被动关闭方的ACK和FIN报文多数情况下都是分开发送的，所以需要四次交互。

为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL才能返回到CLOSE状态

为了保证主动关闭方发送的最后一个ACK报文能够到达被动关闭方。因为这个ACK有可能无法到达对端，这样对端会重发FIN报文，这时候主动关闭方需要重发ACK。 保证本连接的所有报文在网络上消失。如果没有这个机制，可能会对新连接产生干扰。举例如下：
A和B正常建立TCP连接，数据传输，然后断开连接。但是由于网络传输原因，A发给B的seq为100的报文滞留在了网络上。 A和B再次建立连接，所用IP和端口与1中相同，二者数据传输过程中，B正好请求A发送seq为100的数据，这时1中滞留的报文到达B，TCP认为该报文合法，就接收了这个报文。

TCP协议的特点

  • 面向连接。是指发送数据之前必须在两端建立连接。建立连接的方法是“三次握手”，这样能建立可靠的连接。建立连接，是为数据的可靠传输打下了基础。
  • 仅支持单播传输。每条TCP传输连接只能有两个端点，只能进行点对点的数据传输，不支持多播和广播传输方式。
  • 面向字节流。TCP不像UDP一样那样一个个报文独立地传输，而是在不保留报文边界的情况下以字节流方式进行传输。
  • 可靠传输。对于可靠传输，判断丢包，误码靠的是TCP的段编号以及确认号。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。
  • 提供拥塞控制。当网络出现拥塞的时候，TCP能够减小向网络注入数据的速率和数量，缓解拥塞
  • TCP提供全双工通信。TCP允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据，因为TCP连接的两端都设有缓存，用来临时存放双向通信的数据。当然，TCP可以立即发送一个数据段，也可以缓存一段时间以便一次发送更多的数据段（最大的数据段大小取决于MSS）

TCP和UDP的比较

对比项 UDP TCP
是否连接 无连接 面向连接
是否可靠 不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制 可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
连接对象个数 支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信 只能是一对一通信
传输方式 面向报文 面向字节流
首部开销 首部开销小，仅8字节 首部最小20字节，最大60字节
适用场景 适用于实时应用（IP电话、视频会议、直播等） 适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输
  • TCP向上层提供面向连接的可靠服务 ，UDP向上层提供无连接不可靠服务。
  • 虽然 UDP 并没有 TCP 传输来的准确，但是也能在很多实时性要求高的地方有所作为
  • 对数据准确性要求高，速度可以相对较慢的，可以选用TCP

Qt中的UDP通信

Udp是面向无连接的通信,无所谓服务器客户端.QT通过QUdpSocket操作udp数据 接收数据时，需要首先bind一个端口，通过readyRead信号在槽函数中readDatagram收取数据； 发送数据直接调用writeDatagram发送


auto udp = new QUdpSocket();

//发送数据
udp->writeDatagram(data,length,dst_addr,dst_port);

//接受数据
udp->bind(src_port)；
connect(udp, &QIODevice::readyRead,this, &RK_Device::_receiveInfo);

//槽函数
QByteArray _receiveInfo()
{
    QUdpSocket *obj = qobject_cast<QUdpSocket *>(sender);
    QByteArray arr;
    if(obj)
    {
        arr.resize(obj->bytesAvailable());
        obj->readDatagram(arr.data(),arr.size());
    }
    return arr;
}

Qt中的TCP客户端

TCP客户端需要连接一个TCP服务器才能通信.QT通过QTcpSocket操作TCP数据

首先通过connectToHost连接到服务器

接收数据和udp一样，通过readyRead信号在槽函数中readAll收取数据；

发送数据直接调用write接口发送


auto tcp = new QTcpSocket();

//建立连接
tcp->connectToHost(dst_addr,dst_port);
if(tcp->waitForConnected())//同步等待连接
{
    //也可以异步连接，在连接槽函数中绑定数据接收槽函数
    connect(tcp, &QIODevice::readyRead,this, &RK_Device::_receiveInfo);
}
else
{
    tcp->disconnectFromHost();
    tcp->close();
}

//发送数据
udp->write(data,length);

//槽函数
QByteArray _receiveInfo()
{
    QTcpSocket *obj = qobject_cast<QTcpSocket *>(sender);
    if(obj)
        return obj->readAll();
    return "";
}

Qt中的tcp服务器

服务器端是为客户端提供服务的，服务的内容诸如向客户端提供资源，保存客户端数据，为客户端提供功能接口等

  • 服务端被动接受连接（服务端无法主动连接客户端）
  • 服务端必须公开网络地址（容易受到攻击）
  • 在职责上：客户端倾向于处理用户交互及体验（GUI）
  • 在职责上：服务器倾向于用户数据的组织和存储（数据处理）

tcp服务器本质上不是socket，它是为了管理一堆TcpSocket，它QT提供了QTcpServer来管理

QTcpServer通过listen接口去监听指定端口，也可以指定地址 通过newConnection来获取连接到的客户端socket，接下来的事情，就是如何去操作这些socket了 可以把socket保存下来，这样可以给客户端发数据 也可以连接socket的readready信号来获取客户端的数据


QTcpServer server;
server.listen(QHostAddress::Any,port);//监听端口
connect(&server,&QTcpServer::newConnection,this,&RK_TCPServer::newConnect);

//建立客户端连接
void newConnect()
{
    auto sk = server.nextPendingConnection();//与客户端通信的套接字
    //感知客户端断开操作
    connect(sk,&QTcpSocket::disconnected,this,&RK_TCPServer::clsConnect);
    //接受客户端数据
    connect(sk, &QIODevice::readyRead,this, &RK_Device::_receiveInfo);
    //保存客户端
    clients.insert(sk);
}

//客户端断开
void clsConnect()
{
    auto dev = (QTcpSocket*)sender();
    clients.erase(dev);
}

//接收客户端数据槽函数
QByteArray _receiveInfo()
{
    QTcpSocket *obj = qobject_cast<QTcpSocket *>(sender);
    if(obj)
        return obj->readAll();
    return "";
}

//给指定客户端发送数据
clients[0]->write(data,length);