TCP（Transmission Control Protocol）は、信頼性の高い接続指向通信を提供するトランスポート層プロトコルです。クライアント・サーバー（C/S）モデルやブラウザ・サーバー（B/S）モデルの基盤として広く利用されています。

TCPヘッダ構造 TCPヘッダには以下のフィールドが含まれます：

• **ソース/宛先ポート：**通信を行うプロセスを識別します。
• **シーケンス番号：**送信側が送信したデータバイトの順序を示します。
• **確認番号：**受信側が正しく受信した直前のバイト数を返します（ACKフラグが立っている場合に有効）。
• 制御フラグ：
• URG：緊急データポインタの有効性
• ACK：確認番号の有効性
• PSH：受信アプリケーションに即時データ読み取りを要求
• RST：接続の強制再設定（リセットパケット）
• SYN：接続確立要求（同期パケット）
• FIN：接続終了通知（終了パケット）

ウィンドウサイズ：受信バッファの空き容量を示し、フロー制御に使用されます。 チェックサム：データの整合性を検証します。 緊急ポインタ：緊急データの位置を示します。

粘包（Packet Sticky）問題 TCPはストリーム指向のプロトコルであるため、複数のアプリケーションメッセージが単一のTCPセグメントに結合されたり、単一の大きなメッセージが複数のセグメントに分割されたりすることがあります。これにより、受信側でメッセージの境界が不明確になり、データの解析が困難になります。

発生要因

1. **送信側の連続送信：**高速で複数のデータを送信すると、TCP/IPスタックがNagleアルゴリズムやセグメント結合により複数のメッセージを1つのパケットにまとめます。
2. **受信側の処理遅延：**受信バッファに複数のメッセージが蓄積され、一度に読み取られると境界が失われます。
3. **滑動ウィンドウの動的変更：**ネットワーク状況に応じてウィンドウサイズが変化し、パケットの分割・結合が発生します。

解決策

1. **固定長メッセージ：**各メッセージを固定サイズで送信。簡易だが無駄なバイトが発生し、柔軟性に欠けます。
2. **メッセージヘッダ方式：**各メッセージの先頭に長さ情報（例：4バイトの整数）を追加。受信側はまずヘッダを読み取り、その後指定長分のデータを取得します。
3. **区切り文字：**メッセージ間に特殊文字（例：\n、\0）を挿入。受信側で区切り文字を検出して分割します。
4. **心拍パケット：**一定間隔で空のデータを送信し、通信の活性状態を維持。境界の明確化にも寄与します。
5. **高度なアプリケーションプロトコル：**HTTP/2やQUICのように、フレーム構造を明確に定義したプロトコルを利用します。

滑動ウィンドウとフロー制御 TCPは滑動ウィンドウ方式でフロー制御を行います。送信側は受信側の受信可能容量（ウィンドウサイズ）に基づいて送信量を制御します。これにより、受信バッファのオーバーフローを防ぎ、ネットワークの過負荷を回避します。

例：チャットアプリで、1メッセージずつ送信して返信を待つ（一発一応）と効率が悪くなります。一方、複数メッセージを一度に送信し、後でACKを受けて処理する方式（滑動ウィンドウ）では、待機時間を有効に活用でき、通信効率が大幅に向上します。

TCP接続の確立と解放 信頼性の高さは、以下のプロセスによって保証されます：

• **三度のハンドシェイク：**接続確立（SYN → SYN-ACK → ACK）
• **シーケンス番号と確認番号：**送信データの順序と欠落の検出
• **四度のハンドシェイク：**接続終了（FIN → ACK → FIN → ACK）

UDPとの比較

TCPクライアント・サーバー実装

サーバー側（受信） サーバーは以下の手順で通信を開始します：

1. socket()：IPv4/TCP用ソケット作成
2. bind()：ローカルIPとポートにバインド
3. listen()：接続要求の待ち受け状態に移行
4. accept()：クライアント接続を受付、新しいソケットを返す
5. recv()／send()：データの受信・送信
6. close()：ソケットを破棄

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int create_tcp_server(int port) {
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) return -1;

    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        close(server_fd);
        return -1;
    }

    if (listen(server_fd, 5) == -1) {
        close(server_fd);
        return -1;
    }

    return server_fd;
}

int handle_client(int server_fd) {
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t len = sizeof(client_addr);
    int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &len);
    if (client_fd == -1) return -1;

    char buffer[1024] = {0};
    ssize_t bytes = recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
    if (bytes > 0) {
        printf("受信: %s\n", buffer);
    }

    const char* response = "サーバーからの返信";
    send(client_fd, response, strlen(response), 0);

    close(client_fd);
    return 0;
}

クライアント側（送信） クライアントは以下の手順でサーバーに接続します：

1. socket()：ソケット作成
2. connect()：サーバーへ接続要求
3. send()／recv()：データ送受信
4. close()：ソケット解放

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int create_tcp_client(const char* ip, int port) {
    int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (client_fd == -1) return -1;

    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(port);
    inet_pton(AF_INET, ip, &server_addr.sin_addr);

    if (connect(client_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        close(client_fd);
        return -1;
    }

    return client_fd;
}

int send_file_data(int client_fd, const char* filename) {
    FILE* fp = fopen(filename, "rb");
    if (!fp) return -1;

    char buffer[1024];
    size_t bytes_read;

    while ((bytes_read = fread(buffer, 1, sizeof(buffer), fp)) > 0) {
        if (send(client_fd, buffer, bytes_read, 0) == -1) {
            fclose(fp);
            return -1;
        }
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

ファイル転送の実装 ファイル転送では、ファイル名を最初に送信し、その後バイナリデータを連続して送信します。受信側はファイル名を受信後、同名のファイルを作成し、受信データを書き込みます。

注意点として、recv() の戻り値が 0 の場合、接続が正常に切断されたことを示します。これにより、送信側がファイル転送を完了したことを検出できます。

ファイル転送の例では、送信側が read() でファイルを読み込み、send() で送信。受信側は recv() で受信し、write() でファイルに書き込みます。この際、バッファのクリアやエラーチェックが不可欠です。

エラー対応：Address already in use サーバー再起動時に「Address already in use」エラーが発生するのは、前回の接続が TIME_WAIT 状態でポートを占有しているためです。対策として、setsockopt() で SOL_SOCKET の SO_REUSEADDR オプションを有効にします。

int opt = 1;
setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

これにより、同じアドレス・ポートを再利用できるようになります。