Linux网络编程

2024-11-10 09:26:44

网络通信概述

1.IP 和端口

2.网络传输中的 2 个对象：server 和 client

3.两种传输方式：TCP/UDP

① TCP 和 UDP 原理上的区别

② 为何存在 UDP 协议

③ TCP/UDP 网络通信大概交互图

网络编程主要函数介绍

socket 函数

bind 函数

listen 函数

accept 函数

connect 函数

send 函数

recv 函数

recvfrom 函数

sendto 函数

TCP 编程

UDP 编程

网络通信概述

1.IP 和端口

所有的数据传输，都有三个要素：源、目的、长度。
怎么表示源或者目的呢？如下图：

所以，在网络传输中需要使用“IP 和端口”来表示源或目的。

2.网络传输中的 2 个对象：server 和 client

我们经常访问网站，这涉及 2 个对象：网站服务器，浏览器。网站服务器平时安静地呆着，浏览器主动发起数据请求。网站服务器、浏览器可以抽象成 2 个软件的概念：server 程序、client 程序。

3.两种传输方式：TCP/UDP

在一般的网络书籍中，网络协议被分为 5 层：

        应用层：它是体系结构中的最高层，直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务。在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议，支持文件传送的 FTP 协议，DNS，POP3，SNMP，Telnet 等等。
        运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。
        运输层主要使用以下两种协议：
① 传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。
② 用户数据包协议 UDP(User Datagram Protocol)：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。
        网络层：负责将被称为数据包（datagram）的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。
        链路层：因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。
        物理层：在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。

这些层对于初学者来说很难理解，我们只需要知道：我们需要使用“运输层”编写应用程序，我们的应用程序位于“应用层”。
使用“运输层”时，可以选择 TCP 协议，也可以选择 UDP 协议。

① TCP 和 UDP 原理上的区别

TCP 向它的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务有 2 个特点：可靠传输、流量控制（即发送方/接收方速率匹配）。它包括了应用层报文划分为短报文，并提供拥塞控制机制。
UDP 协议向它的应用程序提供无连接服务。它没有可靠性，没有流量控制，也没有拥塞控制。

② 为何存在 UDP 协议

既然 TCP 提供了可靠数据传输服务，而 UDP 不能提供，那么 TCP 是否总是首选呢？

        答案是否定的，因为有许多应用更适合用 UDP，举个例子：视频通话时，使用 UDP，偶尔的丢包、偶尔的花屏时可以忍受的；如果使用 TCP，每个数据包都要确保可靠传输，当它出错时就重传，这会导致后续的数据包被阻滞，视频效果反而不好。
        使用 UDP 时，有如下特点：
① 关于何时发送什么数据控制的更为精细
        采用 UDP 时只要应用进程将数据传递给 UDP，UDP 就会立即将其传递给网络层。而 TCP 有重传机制，而不管可靠交付需要多长时间。但是实时应用通常不希望过分的延迟报文段的传送，且能容忍一部分数据丢失。
② 无需建立连接，不会引入建立连接时的延迟。
③ 无连接状态，能支持更多的活跃客户。
④ 分组首部开销较小。

③ TCP/UDP 网络通信大概交互图

下面我们分别画出运用 TCP 协议和运用 UDP 协议的客户端和服务器大概交互图。

面向连接的 TCP 流模式：

UDP 用户数据包模式：

网络编程主要函数介绍

socket 函数

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

此函数用于创建一个套接字。
$\bullet$ domain 是网络程序所在的主机采用的通讯协族(AF_UNIX 和 AF_INET 等)。
        ◼ AF_UNIX 只能够用于单一的 Unix 系统进程间通信，而 AF_INET 是针对 Internet 的，因而可以允许远程通信使用。
$\bullet$ type 是网络程序所采用的通讯协议(SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM 等)。
        ◼ SOCK_STREAM 表明用的是 TCP 协议，这样会提供按顺序的，可靠，双向，面向连接的比特流。
        ◼ SOCK_DGRAM 表明用的是 UDP 协议，这样只会提不可靠，无连接的通信。
$\bullet$ 关于 protocol，由于指定了 type，所以这个地方一般只要用 0 来代替就可以了。
        此函数执行成功时返回文件描述符，失败时返回-1,看 errno 可知道出错的详细情况。

bind 函数

int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

此函数用于将地址绑定到一个套接字（用socket创建的套接字）
$\bullet$ sockfd 是由 socket 函数调用返回的文件描述符。
$\bullet$ my_addr 是一个指向 sockaddr 的指针。
$\bullet$ addrlen 是 sockaddr 结构的长度。

sockaddr 的定义：

struct sockaddr{
    unisgned short as_family;
    char sa_data[14];
};

不过由于系统的兼容性，我们一般使用另外一个结构(struct sockaddr_in)来代替。

sockaddr_in 的定义：

struct sockaddr_in{
    unsigned short sin_family;
    unsigned short sin_port;
    struct in_addr sin_addr;
    unsigned char sin_zero[8];
}

如果使用 Internet 所以
$\bullet$ sin_family 一般为 AF_INET。
$\bullet$ sin_port 是要监听的端口号。
$\bullet$ sin_addr 设置为 INADDR_ANY 表示可以和任何的主机通信。
$\bullet$ sin_zero[8] 是用来填充的。
$\bullet$ bind 将本地的端口同 socket 返回的文件描述符捆绑在一起.成功是返回 0,失败的情况和 socket 一样。

listen 函数

int listen(int sockfd, int backlog);

此函数宣告服务器可以接受连接请求。
$\bullet$ sockfd 是 bind 后的文件描述符。
$\bullet$ backlog 设置请求排队的最大长度。当有多个客户端程序和服务端相连时，使用这个表示可以介绍的排队长度。
$\bullet$ listen 函数将 bind 的文件描述符变为监听套接字，返回的情况和 bind 一样。

accept 函数

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

服务器使用此函数获得连接请求，并且建立连接。
$\bullet$ sockfd 是 listen 后的文件描述符。
$\bullet$ addr，addrlen 是用来给客户端的程序填写的,服务器端只要传递指针就可以了， bind，listen 和 accept 是服务器端用的函数。
$\bullet$ accept 调用时，服务器端的程序会一直阻塞到有一个客户程序发出了连接。accept 成功时返回最后的服务器端的文件描述符，这个时候服务器端可以向该描述符写信息了，失败时返回-1 。

connect 函数

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr, int addrlen);

可以用 connect 建立一个连接，在 connect 中所指定的地址是想与之通信的服务器的地址。
$\bullet$ sockfd 是 socket 函数返回的文件描述符。
$\bullet$ serv_addr 储存了服务器端的连接信息，其中 sin_add 是服务端的地址。
$\bullet$ addrlen 是 serv_addr 的长度。
$\bullet$ connect 函数是客户端用来同服务端连接的，成功时返回 0，sockfd 是同服务端通讯的文件描述符，失败时返回-1。

send 函数

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

$\bullet$ sockfd 指定发送端套接字描述符；
$\bullet$ buf 指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；
$\bullet$ len 指明实际要发送的数据的字节数；
$\bullet$ flags 一般置 0。
$\bullet$ 客户或者服务器应用程序都用 send 函数来向 TCP 连接的另一端发送数据

recv 函数

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

$\bullet$ sockfd 指定接收端套接字描述符；
$\bullet$ buf 指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放 recv 函数接收到的数据；
$\bullet$ len 指明 buf 的长度；
$\bullet$ flags 一般置 0。
$\bullet$ 客户或者服务器应用程序都用 recv 函数从 TCP 连接的另一端接收数据。

recvfrom 函数

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

$\bullet$ recvfrom 通常用于无连接套接字，因为此函数可以获得发送者的地址。
$\bullet$ src_addr 是一个 struct sockaddr 类型的变量，该变量保存源机的 IP 地址及端口号。
$\bullet$ addrlen 常设置为 sizeof（struct sockaddr）。

sendto 函数

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

$\bullet$ sendto 和 send 相似，区别在于 sendto 允许在无连接的套接字上指定一个目标地址。
$\bullet$ dest_addr 表示目地机的 IP 地址和端口号信息。
$\bullet$ addrlen 常常被赋值为 sizeof （struct sockaddr）。
$\bullet$ sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。

TCP 编程

写代码实现一个服务端能接收多个客户端的连接请求

server.c

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>


/* socket
 * bind
 * listen
 * accept
 * send/recv
 */

/*定义要监听的端口*/
#define SERVER_PORT 8888
/*listen函数的第二个参数，表示最大能同时监测多少路连接*/
#define BACKLOG     10

int main(int argc, char **argv)
{
    /*存放服务端和客户端的文件描述符*/
	int iSocketServer;
	int iSocketClient;

    /*使用bind函数时需要传入sockaddr_in结构体*/
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	struct sockaddr_in tSocketClientAddr;

	int iRet;
	int iAddrLen;

    /*接收客户端发来的信息的长度和缓冲区*/
	int iRecvLen;
	unsigned char ucRecvBuf[1000];

	int iClientNum = -1;

	signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
	
    /*创建套接字,得到文件描述符*/
	iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == iSocketServer)
	{
		printf("socket error!\n");
		return -1;
	}

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
    /*htons表示将主机字节序转化为网络字节序,大小为2字节*/
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
    /*我们的主机可能有多个端口,设置成INADDR_ANY表示能监听所有的端口*/
 	tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
	
    /*绑定*/
	iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("bind error!\n");
		return -1;
	}

    /*开启监听*/
	iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG);
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("listen error!\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
        /*accept等待连接,客户端的信息会保存在tSocketClientAddr里面*/
		iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
		if (-1 != iSocketClient)
		{
            /* 如果accept函数的返回值不等于-1表示连接成功
             * iClientNum统计客户端的数量,相当于id
             */
			iClientNum++;
            
            /*打印客户端的IP信息,用inet_ntoa将网络字节序转化为ASCII码*/
			printf("Get connect from client %d : %s\n",  iClientNum, inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr));
			if (fork() == 0)
			{
				/*fork返回值是0表示是子进程,这里是子进程的代码*/
				while (1)
				{
					/*接收客户端发来的数据并显示出来*/
					iRecvLen = recv(iSocketClient, ucRecvBuf, 999, 0);
					if (iRecvLen <= 0)
					{
                        /*出错就关闭文件*/
						close(iSocketClient);
						return -1;
					}
					else
					{
                        /*打印出来*/
						ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
						printf("Get Msg From Client %d: %s\n", iClientNum, ucRecvBuf);
					}
				}				
			}
		}
	}
	close(iSocketServer);
	return 0;
}

client.c

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

/* socket
 * connect
 * send/recv
 */

/*要连接的端口和服务器端一致*/
#define SERVER_PORT 8888

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	
	int iRet;
	unsigned char ucSendBuf[1000];
	int iSendLen;

    /*如果用法不对的话打印用法,需要用户传入想要连接的IP地址*/
	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage:\n");
		printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	//tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    /*用inet_aton函数将字符串转化为网络字节序,传入结构体对于的参数里去,设置想要连接的IP地址*/
 	if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
 	{
		printf("invalid server_ip\n");
		return -1;
	}
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);

    /*调用connect函数连接*/
	iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));	
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("connect error!\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
        /*从键盘得到数据发送到服务端*/
		if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
		{
			iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
			if (iSendLen <= 0)
			{
				close(iSocketClient);
				return -1;
			}
		}
	}
	
	return 0;
}

现象：

左边是服务端，右边我运行了两个客户端，没有输入IP会打印用法，连接后就可以给服务端发送消息了，服务端会显示客户端的ID号。

UDP 编程

UDP连接的服务端不需要调用listen和accept函数，socket函数创建套接字后用bind绑定IP地址等等，然后调用recvfrom函数接收数据；客户端和TCP类似，可以调用sendto或者send函数来发送数据，我们直接写代码：

server.c

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>


/* socket
 * bind
 * sendto/recvfrom
 */

#define SERVER_PORT 8888

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketServer;
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
	int iRet;
	int iAddrLen;

	int iRecvLen;
	unsigned char ucRecvBuf[1000];

	int iClientNum = -1;
	
    /*第二个参数改成SOCK_DGRAM表示用UDP连接*/
	iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if (-1 == iSocketServer)
	{
		printf("socket error!\n");
		return -1;
	}

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
	
	iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("bind error!\n");
		return -1;
	}


	while (1)
	{
		iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
		iRecvLen = recvfrom(iSocketServer, ucRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
		if (iRecvLen > 0)
		{
			ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
			printf("Get Msg From %s : %s\n", inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr), ucRecvBuf);
		}
	}
	
	close(iSocketServer);
	return 0;
}

client.c
（和tcp的客户端几乎一样，只需要改变一下socket函数的第二个参数即可）

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

/* socket
 * connect
 * send/recv
 */

#define SERVER_PORT 8888

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	
	int iRet;
	unsigned char ucSendBuf[1000];
	int iSendLen;

	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage:\n");
		printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

    /**/
	iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	//tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 	if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
 	{
		printf("invalid server_ip\n");
		return -1;
	}
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);


	iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));	
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("connect error!\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
		{
			iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
			if (iSendLen <= 0)
			{
				close(iSocketClient);
				return -1;
			}
		}
	}
	
	return 0;
}

效果我就不在演示了，和TCP的效果差不多。

需要注意的是：使用UDP编程时，客户端的connect函数可以不用，但是发送数据需要使用sendto函数，sendto函数会指定要发送的服务器的IP地址。

码农公寓

网络通信概述

1.IP 和端口

2.网络传输中的 2 个对象：server 和 client

3.两种传输方式：TCP/UDP

① TCP 和 UDP 原理上的区别

② 为何存在 UDP 协议

③ TCP/UDP 网络通信大概交互图

网络编程主要函数介绍

socket 函数

bind 函数

listen 函数

accept 函数

connect 函数

send 函数

recv 函数

recvfrom 函数

sendto 函数

TCP 编程

UDP 编程

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