Linux网络基础 (三) —— Socket

文章目录

  • Socket 编程
    • 基本概念
      • Socket背景
      • Socket 为了解决什么问题
    • socket
    • sockaddr结构
      • sockaddr
      • sockaddr_in
      • sockaddr 和 sockaddr_in 的关系
      • sockaddr_un
    • 示例代码

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Socket 编程

基本概念

Socket背景

  Socket（套接字）是一种用于实现网络通信的编程接口（API），它提供了一种标准化的方式，使得不同操作系统和编程语言之间的应用程序能够相互通信。Socket最初是在BSD（Berkeley Software Distribution）操作系统中开发出来的，目的是为了实现在不同主机之间进行进程间通信。BSD是由加州大学伯克利分校开发的一个Unix操作系统的分支，它对Socket的定义和实现成为了事实上的标准。后来，由于互联网的发展，Socket被广泛应用于网络编程中。

  在早期的计算机网络中，通信使用的是不同的协议，这些协议之间缺乏标准化的接口，使得应用程序的编写和移植变得非常困难。为了解决这个问题，一些计算机科学家开始研究如何定义一种标准的通信接口，以便不同的计算机之间能够进行通信。Socket就是在这个背景下诞生的，它提供了一种可移植、可扩展、易于使用的接口，使得应用程序能够在不同的操作系统和计算机之间进行通信。

  随着互联网的发展，Socket成为了网络编程中不可或缺的一部分。它被广泛应用于各种网络应用程序中，如Web服务器、电子邮件客户端、聊天程序等。同时，随着计算机硬件和网络技术的不断发展，Socket也不断更新和完善，以适应新的应用场景和需求。

Socket 为了解决什么问题

  Socket通信主要是为了解决计算机网络中的进程间通信问题。在网络编程中，有两个进程需要进行通信才能完成特定的任务，这两个进程可能运行在不同的计算机上，也可能运行在同一台计算机上的不同进程中。Socket提供了一种标准化的接口，使得这些进程能够在网络中进行数据交换和通信。具体来说，Socket通信可以解决以下几个方面的问题：

  1. 进程间通信：在同一台计算机上，不同的进程之间需要进行通信，Socket提供了一种标准化的接口，使得进程之间可以通过网络进行通信。
  2. 跨平台通信：不同的计算机、操作系统和编程语言之间需要进行通信，Socket提供了一种可移植的接口，使得应用程序可以在不同的平台上运行并进行通信。
  3. 网络通信安全性：网络通信中存在着信息泄露、数据篡改、拒绝服务攻击等安全问题，Socket可以通过加密、身份认证、防火墙等方式提高通信的安全性。
  4. 通信协议：Socket提供了一种灵活的通信协议，可以根据需要选择不同的协议来满足特定的通信需求，如TCP、UDP等协议。

总之，Socket通信可以为应用程序提供一种标准化、可靠、安全的网络通信方式，使得不同计算机之间的应用程序可以进行数据交换、信息共享和远程控制等操作。

简单来说

  • socket编程也叫套接字编程,应用程序可以通过它发送或者接受数据,可对其像打开文件一样打开、关闭、读写等操作.
  • 套接字允许应用程序将I/O插入到网络中,并与网络中的其他应用程序进行通信.
  • 网络套接字是IP地址与端口号TCP协议的组合
  • Socket就是为网络编程提供的一种机制,通信的两端都有Socket
  • 网络通信其实就是Socket之间的通信,数据在两个Socket之间通过I/O进行传输.

socket

Socket 编程需要包含如下头文件

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

函数原型：

int socket(int domain, int type, int protocol);       // 2:46:00
//创建套接字就可以理解为创建了struct file对象其中包含了很多文件指针
// 该函数返回一个文件指针，套接字文件描述符，即代表socket函数创建的套接字文件

// 使用示例:
 _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建一个网络通信的文件
if (_sockfd < 0)
{
	// 如果错误，就打印日志
	lg.LogMessage(Fatal, "socket error, %d : %s \n", errno, strerror(errno));
	exit(Socket_Err);
}

  • domain

    常用的三种阈

    名称含义
    AF_UNIX用于本地进程间的通信
    AF_INET,PF_INETIPv4 Internet协议
    PF_INET6IPv6 Internet协议

    1. AF：表示ADDRESS FAMILY 地址族

      地址族就是一个协议族所使用的地址集合，也是用宏来表示不同的地址族，这个宏的形式是AF开头，比如IP地址族为AF_INET,

    2. PF：表示PROTOCOL FAMILY 协议族

      协议族就是不同协议的集合，在Linux中，用宏来表示不同的协议族，这个宏的形式是PF开头，比如IPv4协议族为PF_INET

    3. 区别：

      地址族和协议族其实是一样的，值也一样，都是用来识别不同协议的，为什么要搞两套东西呢？

      ​ 这是因为之前UNIX有两种风格系统：BSD系统和POSIX系统

      • 对于BSD系统，一直用的是AF
      • 对于POSIX系统，一直用的是PF。

      Linux作为后起之秀，为了兼容，所以两种都支持，这样两种风格的UNIX下的软件就可以在Linux上运行了。

  • type

    type用于设置套接字通信的类型，主要有SOCKET_STREAM（流式套接字）、SOCK_DGRAM（数据包套接字)

    名称含义
    SOCK_STREAMTcp 连接，提供序列化的、可靠的、双向连接的字节流。支持带外数据传输
    SOCK_DGRAMUDP 连接（无连接状态的消息）
    SOCK_SEQPACKET序列化包，提供一个序列化的、可靠的、双向的基本连接的数据传输通道，数据长度定常。每次调用读系统调用时数据需要将全部数据读出
    SOCK_RAWRAW类型，提供原始网络协议访问
    SOCK_RDM提供可靠的数据报文，不过可能数据会有乱序
    SOCK_PACKET这是一个专用类型，不能呢过在通用程序中使用

  • protocol

    1. protocol用于制定某个协议的特定类型，即type类型中的某个类型。通常某协议中只有一种特定类型，这样protocol参数仅能设置为0

    2. 但是有些协议有多种特定的类型，就需要设置这个参数来选择特定的类型。

  • errno

    函数socket()并不总是执行成功，有可能会出现错误，错误的产生有多种原因，可以通过errno获得

    值含义
    EACCES没有权限建立制定的domain的type的socket
    EAFNOSUPPORT不支持所给的地址类型
    EINVAL不支持此协议或者协议不可用
    EMFILE进程文件表溢出
    ENFILE已经达到系统允许打开的文件数量，打开文件过多
    ENOBUFS/ENOMEM内存不足。socket只有到资源足够或者有进程释放内存
    EPROTONOSUPPORT制定的协议type在domain中不存在

sockaddr结构

socket API是一层抽象的网络编程接口,适用于各种底层网络协议,如IPv4、IPv6,以及后面要讲的UNIX Domain Socket. 然而, 各种网络协议的地址格式并不相同.

sockaddr

在写代码前，需要先了解这三个结构间的关系，sockaddr结构体在如下头文件中定义

#include <sys/socket.h>

sockaddr的缺陷是：sa_data把目标地址和端口信息混在一起了

sockaddr 可以强转为 sockaddr_in 和 sockaddr_un，( 类似于父类子类的感觉 )

struct sockaddr 
{  
	sa_family_t sin_family;   //地址族
	char sa_data[14];         //14字节，包含套接字中的目标地址和端口信息               
};

  • IPv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中,IPv4地址用sockaddr_in结构体表示,包括16位地址类型, 16位端口号和32位IP地址.
  • IPv4、IPv6地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6. 这样,只要取得某种sockaddr结构体的首地址,不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体,就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容.
  • socket API可以都用struct sockaddr *类型表示, 在使用的时候需要强制转化成sockaddr_in; 这样的好处是程序的通用性, 可以接收IPv4, IPv6, 以及UNIX Domain Socket各种类型的sockaddr结构体指针做为参数;

sockaddr_in

头文件

#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

此结构的地址类型为AF_INET，是网络套接字

  • sockaddr_in结构体是和sockaddr结构并列且等价的结构体，因此它们二者之间可以互相转化，也是真正用来提供给程序员进行填充操作的结构体

  • 区别在于 sockaddr_in 将 sa_data 划分为 sin_port 和 sin_addr，也就是把端口和IP地址信息区分开，sin_port采用了网络字节序，同时为了保持和sockaddr相同的字节大小，填充了8字节的sin_zero。这也是一个只针对IPv4地址的结构体，因此它的 sin_family 只能是 AF_INET。

//简略版
struct sockaddr_in
{
	__SOCKADDR_COMMON(sin_);  //该项是个宏，在编译时会将 sin_ 和 family 拼接后形成成员     sin_famliy
	in_port_t sin_port;
	struct in_addr sin_addr
}


//详细版
struct sockaddr_in
{
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);   // 此成员就是 sin_family , __SOCKADDR_COMMON 是一个宏，编译后 sin_ 后面会接上 family 
    
    in_port_t sin_port;	  /* Port number.  */       // uint16_t 类型   16 位 TCP/UDP 端口号
    struct in_addr sin_addr;    /* Internet address.  */    //32 位 IP 地址

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
			   __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
			   sizeof (in_port_t) -
			   sizeof (struct in_addr)];
};

//  in_addr 的类型    (32位IP地址)
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
{
    in_addr_t s_addr;    //  32 位 IPv4 地址
};

在这里插入图片描述

使用示例：

注意，该结构体使用先进行置空

 struct sockaddr_in local;
        
bzero(&local, sizeof(local)); // 将指定的内存清零
local.sin_family = AF_INET;   // 告诉系统绑定的是网路通信的信息

local.sin_port = htons(_port); // _port 是主机序列,需要主机转网络序列

local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); // sin.adder 是一个结构体，这个结构体里面只有一个成员
    //  1. 将 _ip变为四字节ip  2. 变成网络序列

sockaddr 和 sockaddr_in 的关系

  • 二者长度一样，都是16个字节，即占用的内存大小是一致的，因此可以互相转化。二者是并列结构，指向sockaddr_in结构的指针也可以指向sockaddr。

  • sockaddr常用于bind、connect、recvfrom、sendto等函数的参数，指明地址信息，是一种通用的套接字地址。

  • sockaddr_in 是internet环境下套接字的地址形式。所以在网络编程中我们会对sockaddr_in结构体进行操作，使用sockaddr_in来建立所需的信息，最后使用类型转化就可以了。一般先把sockaddr_in变量赋值后，强制类型转换后传入用sockaddr做参数的函数：sockaddr_in用于socket定义和赋值；sockaddr用于函数参数。

sockaddr_un

头文件

#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

sockaddr_un是一种UNIX套接字，通常在使用这种方式时不用网络套接字，而是用本地套接字

struct sockaddr_un
{
	uint16_t sun_family;
	char sun_path[108]; /* Path name. */
};
  • 通讯类型只能选择 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM，协议为默认协议
  • sun_family 参数只能选择AF_LOCAL和AF_UNIX
  • sun_path 参数为本地文件路径，通常放在 /temp 目录下

示例代码

这是UDP网络程序编写的极小部分代码，用到了 socket 函数和 sockaddr_in 结构体，在后续文章完整编写 UdpServer 服务器时还会用到，这里先放出部分用于了解 如何使用 socket 和 sockaddr_in

// 创建网络套接字文件
_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建一个 使用IPV4 UDP链接 的网络套接字

// 指定网络信息
struct sockaddr_in local;
bzero((void *)&local, (size_t)sizeof local);

local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(_port);  // 将端口号从主机字节序转换为网络字节序
local.sin_addr.s_addr = inet_addr(default_ip.c_str()); // 将 string 的 ip 信息 转换为网络字节序

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