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TCP/IP 协议

TCP/IP 协议 知识点主要包括：分层结构、核心协议、工作机制、应用示例（含 C/C++ 编程）、常见问题排查等，适用于嵌入式、上位机、网络编程学习或系统开发。

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一、什么是 TCP/IP？

TCP/IP 是互联网通信协议族（协议栈）的总称，并非单一协议，而是一组网络协议的统称。它是现代网络通信（如网页、FTP、邮件、IoT、嵌入式上位机通信等）的基础。

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二、TCP/IP 协议栈分层结构

TCP/IP 模型通常分为 4 层（对应 OSI 7 层的压缩版）：

TCP/IP 层	功能	常见协议
应用层 (Application)	提供具体应用服务	HTTP, FTP, SSH, DNS, MQTT
传输层 (Transport)	端到端可靠/不可靠数据传输	TCP（可靠）, UDP（不可靠）
网络层 (Internet)	负责寻址与路由	IP, ICMP, ARP
链路层 (Link)	负责硬件传输（如以太网帧）	Ethernet, PPP, Wi-Fi

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三、核心协议详解

IP 协议（Internet Protocol）

• 作用：提供主机之间的寻址与数据转发
• 特点：不可靠、无连接
• 数据包结构包括：源 IP、目的 IP、TTL、标识、分片等

TCP 协议（Transmission Control Protocol）

• 作用：提供可靠、面向连接的端到端传输

• 特点：

  • 三次握手建立连接
  • 四次挥手断开连接
  • 流量控制、拥塞控制、超时重传

• 应用场景：Web 服务、文件传输、远程登录

UDP 协议（User Datagram Protocol）

• 作用：提供无连接、不可靠但轻量的数据传输
• 特点：无握手、发送即忘、延迟低
• 应用场景：实时音视频、游戏、广播、嵌入式下位机通信

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四、TCP 三次握手 / 四次挥手

三次握手（建立连接）：

1. Client → Server：发送 SYN（同步）
2. Server → Client：SYN + ACK（确认）
3. Client → Server：ACK

四次挥手（关闭连接）：

1. Client → Server：FIN
2. Server → Client：ACK
3. Server → Client：FIN
4. Client → Server：ACK

握手建立连接可靠性，挥手确保数据传输完整关闭。

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五、C/C++ Socket 编程（基于 TCP/IP）

TCP 服务器（C）

int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in addr = {};
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(12345);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;bind(server_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
listen(server_fd, 5);int client_fd = accept(server_fd, NULL, NULL);char buffer[1024];
read(client_fd, buffer, sizeof(buffer));
write(client_fd, "Hello Client", 12);

TCP 客户端（C）

int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in server = {};
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = htons(12345);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server.sin_addr);connect(sock, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));send(sock, "Hello Server", 12, 0);
recv(sock, buffer, sizeof(buffer), 0);

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六、TCP/IP 与嵌入式上位机通信

场景	上位机	下位机	通信方式
STM32 ↔ PC	Qt/Console程序	STM32 LwIP + TCP Server	TCP
ESP32 ↔ 上位机	Python/C++	ESP32 Arduino TCP Server	TCP
网关 ↔ 云端平台	REST/gRPC/MQTT	网关 Linux/C 编写 TCP 客户端	TCP 或 TLS

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七、TCP/IP 数据封包结构简图

以太网帧└─IP 数据包└─TCP 段└─应用数据（如 HTTP/自定义协议）

每一层加一层包头，层层封装，形成所谓“协议栈”。

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八、TCP 常见问题 & 调试工具

常见问题

• 连接不上 → 防火墙或监听地址不对
• 接收阻塞 → 对方未发送数据或没 flush
• 粘包/拆包 → 使用 length-prefix 协议或自定义帧尾

常用调试工具

工具	功能
netstat	查看端口占用
tcpdump	抓包分析 TCP/IP 层数据
Wireshark	图形化协议分析利器
nc / ncat	快速测试 TCP 连接

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九、TCP/IP 与 RPC 结合

TCP 是实现 RPC 框架的主力协议之一。

例如：

• gRPC → 基于 HTTP/2 + Protobuf + TCP
• Thrift → TCP + 二进制协议
• 自定义 RPC → TCP + 自定义帧格式 + 方法映射

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十、总结

维度	TCP	UDP
是否可靠	✅ 是（有重传）	❌ 否（丢包不管）
是否连接	✅ 是（握手）	❌ 否（无连接）
适合应用	HTTP、文件传输、数据库	实时游戏、直播、传感器广播
是否顺序	✅ 保证顺序	❌ 不保证