Qt中Socket的理解和使用(Tcp/Udp)

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)

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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);