Linux 网络通信

(一)套接字Socket概念

Socket 中文意思是“插座”，在 Linux 环境下，用于表示进程 x 间网络通信的特殊文件
类型。本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。

既然是文件，那么理所当然的，我们可以使用文件描述符引用套接字。Linux 系统将其封装成文件的目的是为了统一接口，使得读写套接字和读写文件的操作一致。

在 TCP/IP 协议中，“IP 地址+TCP 或 UDP 端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。

“IP 地址+端口号”就对应一个 socket。 欲建立连接的两个进程各自有一个 socket 来标识，那么这两个 socket 组成的 socket pair 就唯一标识一个连接。因此可以用 Socket 来描述网络连接的一对一关系。

在这里插入图片描述

在网络通信中，套接字一定是成对出现的。一端的发送缓冲区对应对端的接收缓冲区。我们使用同一个文件描述符索发送缓冲区和接收缓冲区。

(二)TCP通信流程图

在这里插入图片描述

(三)Socket编程基础知识

1 网络字节序

在计算机世界里，有两种字节序：

大端字节序 - 低地址高字节,高地址低字节
小段字节序 - 低地址低字节,高地址高字节

内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分，磁盘文件中的
多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端小端之分。网络数据流同样有
大端小端之分，那么如何定义网络数据流的地址呢？发送主机通常将发送缓
冲区中的数据按内存地址从低到高的顺序发出，接收主机把从网络上接到的
字节依次保存在接收缓冲区中，也是按内存地址从低到高的顺序保存，因此，
网络数据流的地址应这样规定：先发出的数据是低地址，后发出的数据是高
地址。

TCP/IP 协议规定，网络数据流应采用大端字节序，即低地址高字节。

为使网络程序具有可移植性，使同样的 C 代码在大端和小端计算机上编译后
都能正常运行，可以调用以下库函数做网络字节序和主机字节序的转换。

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);			
uint16_t htons(uint16_t hostshort);			
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);			
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

h 表示 host，n 表示 network，l 表示 32 位长整数，s 表示 16 位短整数。
如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回，如
果主机是大端字节序，这些函数不做转换，将参数原封不动地返回。

2 socketaddr 数据结构

很多网络编程函数诞生早于 IPv4 协议，那时候都使用的是 sockaddr 结构体, 为了向前兼容，现在 sockaddr 退化成了（void *）的作用，传递一个地址给
函数，至于这个函数是 sockaddr_in 还是其他的，由地址族确定，然后函数
内部再强制类型转化为所需的地址类型
在这里插入图片描述

struct sockaddr {
	sa_family_t 	sa_family;			/* 地址系列，AF_xxx */
	char 			sa_data[14]; 		/* 14字节的协议地址 */
};

struct sockaddr_in {
	sa_family_t 	sin_family; 		/* 地址族：一般为AF_INET */
	in_port_t 		sin_port;			/* 按网络字节顺序排列的端口*/
	struct in_addr  sin_addr; 			/* 网络地址 */
};

/* 网络地址 */
struct in_addr {
	uint32_t 		s_addr;				/* 按网络字节顺序排列的网络地址 */
};

IPv4 地址用 sockaddr_in 结构体表示，包括 16 位端口号和 32 位 IP 地址
，但是 sock API 的实现早于 ANSI C 标准化，那时还没有 void *类型，
因此这些像 bind 、accept 函数的参数都用 struct sockaddr * 类型表示，
在传递参数之前要强制类型转换一下，例如：

struct sockaddr_in servaddr;
bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

3 IP地址转换函数

对于IP地址"a.b.c.d"
小端字节序和大端字节序分别表示:
在这里插入图片描述

#include <arpa/inet.h>
int          inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
const char * inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

af 取值可选为 AF_INET 和 AF_INET6 ，即对应IPv4 和 IPv6
其中 inet_pton 和 inet_ntop 不仅可以转换 IPv4 的 in_addr，
还可以转换 IPv6的 in6_addr。
因此函数接口是 void *dst 和 void *src。

(四)Socket 编程主要的函数介绍

1 套接字设置 socket()

头文件:

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

函数原型:

int socket(int domain, int type, int protocol);

参数解释:
domain:

AF_INET 		使用 TCP 或 UDP 来传输，用Pv4 的地址
AF_INET6 		与AF_INET类似，不过是来用 IPv6 的地址
AF_UNIX 		本地协议，使用在 Unix 和 Linux 系统上，一般都是当客户端和服
				务器在同一台及其上的时候使用

type:

SOCK_STREAM 	这个协议是按照顺序的、可靠的、数据完整的基于字节流的连接。
				这是一个使用最多的socket 类型，这个socket 是使用TCP来进行传输。
SOCK_DGRAM 		这个协议是无连接的、固定长度的传输调用。该协议是不可靠的，
				使用 UDP 来进行它的连接。
SOCK_SEQPACKET 	该协议是双线路的、可靠的连接，发送固定长度的数据包进行传输。
				必须把这个包完整的接受才能进行读取。
SOCK_RAW 		socket类型提供单一的网络访问，这个 socket 类型使用 ICMP 公共协议。
			
SOCK_RDM 		这个类型是很少使用的，在大部分的操作系统上没有实现，
				它是提供给数据链路层使用，不保证数据包的顺序

protocol:

传 0 表示使用默认协议。

返回值：
成功：返回指向新创建的 socket 的文件描述符
失败：返回-1，设置 errno

注意事项:

对于 IPv4，domain 参数指定为 AF_INET。对于 TCP 协议，type 参数指定为 SOCK_STREAM，表示面向流的传输协议。如果是UDP协议，则type参数指定为SOCK_DGRAM，表示面向数据报的传输协议。protocol参数的指定为 0 即可。

2 绑定标签 bind()

头文件:

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

函数原型:

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数解释:

sockfd：		socket 文件描述符
addr:			构造出 IP 地址加端口号
addrlen:		sizeof(addr)长度

返回值：
成功: 返回 0
失败: 返回-1, 设置 errno

注意事项:
服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的，客户端程序得知
服务器程序的地址和端口号后就可以向服务器发起连接，因此服务器需要调用
bind 绑定一个固定的网络地址和端口号。

bind()的作用是将参数 sockfd 和 addr 绑定在一起，使 sockfd 这个用于网
络通讯的文件描述符监听 addr 所描述的地址和端口号。前面讲过，struct
sockaddr *是一个通用指针类型，addr 参数实际上可以接受多种协议的 sockaddr
结构体，而它们的长度各不相同，所以需要第三个参数 addrlen 指定结构体的长
度。如：

struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(6666);

首先将整个结构体清零，然后设置地址类型为 AF_INET，网络地址为 INADDR_ANY，
这个宏表示本地的任意 IP 地址，因为服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能
绑定多个 IP 地址， 这样设置可以在所有的 IP 地址上监听，直到与某个客户端建
立了连接时才确定下来到底用哪个 IP 地址和端口号。

3 设置监听 listen()

头文件:
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

函数原型

int listen(int sockfd, int backlog);

参数解释:

sockfd:		socket 文件描述符
backlog:	在 Linux 系统中，它是指排队等待建立 3 次握手队列长度

注意事项:
查看系统默认 backlog

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog

改变 系统限制的 backlog 大小

vim /etc/sysctl.conf

最后添加

net.core.somaxconn = 1024
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 1024

保存，然后执行

sysctl -p

4 接受连接 accept()

头文件:

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

函数原型:

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数解释:

sockdf:		socket 文件描述符
addr:		传出参数，返回链接客户端地址信息，含 IP 地址和端口号
addrlen: 	sizeof(addr)大小，函数返回时返回真正接收到地址结构体的大小

返回值：

成功: 返回一个新的 socket 文件描述符，用于和客户端通信，
失败: 返回-1，设置 errno

注意事项:

三次握手完成后，服务器调用 accept()接受连接，如果服务器调用 accept()
时还没有客户端的连接请求，就阻塞等待直到有客户端连接上来。addr 是一个
传出参数，accept()返回时传出客户端的地址和端口号。addrlen 参数是一个传
入传出参数，传入的是调用者提供的缓冲区 addr的长度以避免缓冲区溢出问题，
传出的是客户端地址结构体的实际长度（有可能没有占满调用者提供的缓冲区）。
如果给 addr 参数传 NULL，表示不关心客户端的地址。

服务器程序结构是这样的：

while (1) {
	cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
	connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr,&cliaddr_len);
	n = read(connfd, buf, MAXLINE);
	......
	close(connfd);
}

整个是一个 while 死循环，每次循环处理一个客户端连接。由于 cliaddr_len
是传入传出参数，每次调用 accept()之前应该重新赋初值。 accept()的参数
listenfd 是先前的监听文件描述符，而 accept()的返回值是另外一个文件描述
符 connfd， 之后与客户端之间就通过这个 connfd 通讯，最后关闭 connfd 断开
连接，而不关闭 listenfd，再次回到循环开头 listenfd 仍然用作 accept 的参
数。accept()成功返回一个文件描述符，出错返回-1。

5 请求连接 connect()

头文件:
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

函数原型:

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数解释:

sockdf:   	socket 文件描述符
addr:		传入参数，指定服务器端地址信息，含 IP 地址和端口号
addrlen:	传入参数,传入 sizeof(addr)大小

返回值:
返回值： 成功返回 0，失败返回-1，设置 errno

注意事项:

客户端需要调用 connect()连接服务器，connect 和 bind 的参数形式一致，
区别在于bind的参数是自己的地址，而connect的参数是对方的地址。

(五)应用实例

1 服务端demo代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_PORT 6666

int main(void) {
	//1创建连接的套接字
	int sock;
	sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//IPV4,TCP方式,默认协议

	//2设置标签(地址,端口号)
	struct sockaddr_in server_addr;
	bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));			//将server_addr的内容清零

	server_addr.sin_family = AF_INET;					//协议组IPV4
	server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);	//监听本地所有ip
	server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);			//设置端口号

	//3绑定标签
	bind(sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

	//4设置监听并指定监听最大数量
	listen(sock, 128);

	//5等待连接
	printf("等待客户端连接请求\n");
	int done = 1;
	while (done) {
		//5-1有连接则重新分配套接字接受连接
		struct sockaddr_in clinet;
		int  client_sock, len;			//客户端的 套接字
		char client_ip[64];				//客户端的 ip
		char buf[256];					//客户端的 发送的内容

		socklen_t client_addr_len;		//套接字地址结构长度
		client_addr_len = sizeof(clinet);

		//5-2接受分配的套接字
		client_sock = accept(sock, (struct sockaddr*)&clinet, &client_addr_len);

		//5-3查看客户端IP和端口号
		inet_ntop(AF_INET, &clinet.sin_addr.s_addr, client_ip, sizeof(client_ip));
		printf("客户端IP:%s	,端口号:%d\n", client_ip, ntohs(clinet.sin_port));

		//5-4客户端发来的数据
		len = read(client_sock, buf, sizeof(buf) - 1);
		buf[len] = '\0';
		printf("收到客户端发来的长度为%d数据%s\n", len, buf);

		//5-4服务端给客户写数据
		len = write(client_sock, buf, len);
		printf("已完成对客户端的写操作\n");
		close(client_sock);

	}
 	close(sock);
	return 0;
}

2 客户端demo代码

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

#define SERVER_PORT 6666
#define SERVER_IP "127.0.0.1"

int main(int argc,char **argv) {
	int sockfd;
	char* message;
	struct sockaddr_in servaddr;
	int n;
	char buf[64];
	if (argc!=2)//参数不合法
	{
		printf("参数不合法!  ./xxxx.exe  message\n");
		exit(-1);
	}
	
	message = argv[1];//获取要发送的消息
	printf("待发送的数据:%s\n",message);

	//创建套接字
	sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	//将server_addr的内存初始化
	memset(&servaddr,'\0',sizeof(struct sockaddr_in));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	
	inet_pton(AF_INET,SERVER_IP,&servaddr.sin_addr);
	servaddr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
	//连接服务器
	connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));
	//写数据
	write(sockfd,message,strlen(message));
	//读数据
	n = read(sockfd,buf,sizeof(buf)-1);
	if (n>0) {
		buf[n] = '\0';
		printf("收到的数据:%s\n",buf);
	}
	else {
	
		perror("error!!!");
	
	}
	printf("finished\n");
	close(sockfd);
	return 0;
}

3演示效果:

在这里插入图片描述

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