使用Socket进行通信时send函数和recv函数的底层机制

关于TCP

TCP通信的基本流程

1、数据准备与发送：发送方通过调用send或类似的函数将数据发送到socket。数据首先被复制到socket的发送缓冲区（内核空间）。TCP协议栈负责将数据从发送缓冲区中取出，并打包成TCP报文段。
2、TCP报文段的传输：TCP报文段通过IP层被封装成IP数据包，并发送给网络。数据在网络中传输，可能经过多个路由器和交换机。
3、数据到达接收方：接收方的网络接口卡（NIC）接收到IP数据包，并将其传递给操作系统的IP层。IP层解析IP头部信息，将数据传递给TCP层。TCP层根据TCP头部信息（特别是源IP、源端口、目的IP、目的端口）来确定哪个socket应该接收数据，并将其存储在与该socket关联的接收缓冲区（位于内核空间）中。随后，用户空间的应用程序可以通过调用系统调用来读取这些数据。
4、数据从内核接收缓冲区到用户空间：接收方调用recv函数时，操作系统将数据从接收缓冲区复制到用户进程的缓冲区中。如果接收缓冲区中没有足够的数据来满足recv请求的字节数，那么recv函数可能会阻塞，直到有足够的数据为止（这取决于socket的阻塞/非阻塞设置）。

TCP的一些操作

拥塞控制：TCP协议通过拥塞控制算法来动态调整发送速率，以避免网络拥塞。当网络拥塞时，TCP可能会降低发送速率，这可能导致数据在发送缓冲区中停留更长的时间。
延迟ACK：为了提高网络效率，TCP通常不会为每个接收到的数据包都立即发送ACK（确认）包。相反，它可能会等待一段时间，看看是否有更多的数据要发送，然后在一个ACK包中确认多个数据包。
流量控制：TCP使用滑动窗口机制来实现流量控制，确保发送方不会发送过多的数据，导致接收方无法处理。如果接收方的接收窗口大小为0，那么发送方将停止发送数据，直到接收窗口大小重新变为正数。

一些问题

问：TCP通信时，发送方使用send函数是否会阻塞和接收方是否执行recv()之间有什么样的关系？
答：如果接收方没有及时读取数据（即没有执行recv），接收缓冲区可能会填满，这可能会导致发送方的发送缓冲区也填满（因为TCP协议会保证数据的可靠传输，所以发送方在收到接收方的确认之前不会释放发送缓冲区中的数据）。当发送方的发送缓冲区填满时，后续的send调用可能会阻塞（在阻塞模式下）。另一方面，如果发送方发送数据的速度远远超过接收方读取数据的速度，接收方的接收缓冲区可能会很快填满，从而间接导致发送方的缓冲区填满，从而导致send阻塞（在阻塞模式下）。

关于UDP

UDP和TCP的区别

1、UDP是无连接的：在UDP中，发送方和接收方之间不需要建立连接。这意味着发送方可以随时向指定的地址和端口发送数据，而不需要等待接收方的确认或建立连接。
2、 UDP不保证可靠交付：UDP使用尽最大努力交付的策略，即它不保证数据一定能够到达接收方，也不保证数据按发送顺序到达。发送方在调用send函数后，不会等待接收方的确认或任何形式的响应。
3、UDP的send和recv函数：发送方调用send函数时，只要UDP套接字可用且本地缓冲区有足够的空间来容纳要发送的数据，数据就会被立即发送到网络上，而不会受到接收方是否准备好接收数据的影响。接收方调用recv函数时，它只是从UDP套接字的接收缓冲区中读取数据。如果接收缓冲区中没有数据，recv函数将返回一个错误（如EWOULDBLOCK或EAGAIN，取决于socket的设置）。但是，接收方是否准备好接收数据或何时调用recv函数，都不会影响发送方send函数的执行。
4、UDP的缓冲区和拥塞控制：UDP没有像TCP那样的发送和接收缓冲区，也没有拥塞控制机制。因此，发送方可以连续发送数据，而不用担心网络拥塞或接收方是否准备好接收数据。

一些问题

问：UDP发送数据时，如果接收方不调用recv函数接收数据，那么是否会造成接收缓冲区被占满？如果会的话，接收缓冲区占满后发送方持续发送过来的数据该如何处理呢？
答：接收缓冲区：

每个UDP socket都有一个接收缓冲区(但是没有发送缓冲区)，用于暂存从网络上收到的数据报（datagrams）。当数据报到达时，
它们会被放置在这个缓冲区中，等待应用程序调用recv或类似的函数来读取。

接收方不调用recv：

如果接收方没有调用recv函数来读取接收缓冲区中的数据，那么缓冲区可能会被填满。
填满的具体行为取决于操作系统和socket的配置。

缓冲区满后的行为：

当UDP接收缓冲区满时，新到达的数据报可能会被丢弃（dropped），而不是像TCP那样排队等待。
这是因为UDP不提供像TCP那样的流控制或拥塞控制机制。
具体来说，当新数据报到达时，如果接收缓冲区没有足够的空间来容纳它，操作系统可能会直接丢弃这个数据报，
而不会通知发送方或接收方。这种行为通常被称为“数据报丢失”或“数据包丢失”。

发送方的处理：

由于UDP不提供可靠传输的保证，发送方不会收到关于数据报是否成功到达接收方的确认。
因此，即使数据报在传输过程中丢失或被接收方丢弃，发送方也不会得到任何通知。
如果应用程序需要确保数据的可靠传输，它可能需要自己实现某种形式的确认和重传机制。
例如，它可以在每个数据报中包含一个序列号，并要求接收方在成功接收后发送一个确认消息。
如果发送方在一定时间内没有收到确认消息，它可以重传该数据报。

问：linux中，socket的接收和发送内核缓冲区大小一般是多少？可以修改吗？
答：在Linux中，socket的接收和发送内核缓冲区大小是可以通过系统配置和编程接口进行调整的。以下是关于这些缓冲区大小的详细解释和修改方法：

缓冲区大小概述

接收缓冲区（Receive Buffer）：用于存储从网络上接收到的数据，直到应用程序调用recv或类似函数来读取这些数据。
发送缓冲区（Send Buffer）：用于存储应用程序想要发送到网络上的数据，直到这些数据被实际发送出去。
默认缓冲区大小

默认大小：Linux内核为socket的接收和发送缓冲区设置了默认值，但这些值可能会因系统配置、内核版本和具体的应用场景而有所不同。
动态调整：Linux内核还提供了动态调整这些缓冲区大小的机制，以根据网络流量和应用需求进行优化。
修改缓冲区大小的方法
3.1 使用setsockopt函数

应用程序可以在创建socket后，使用setsockopt函数来设置socket的接收和发送缓冲区大小。
通过设置SO_RCVBUF和SO_SNDBUF选项，可以分别设置接收和发送缓冲区的大小。
例如，以下代码片段展示了如何使用setsockopt设置发送缓冲区大小为10MB：
```
int buf_size = 1024 * 1024 * 10; // 10MB  
if (setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &buf_size, sizeof(buf_size)) == -1) {  // 错误处理  
}
```