Linux——网络基础socket套接字(协议、协议模型、IP、Port、网络字节序)

2021-11-27 21:40:41

协议

协议是指通信双方约定使用同一种解析信息的手段来进行有效的沟通

协议分层模型

OSI参考模型(自下而上)：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层

TCP/IP五层(或四层)模型

TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇.
TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

物理层：负责光/电信号的传递方式. 物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器(Hub)工作在物理层.
数据链路层: 负责相邻设备之间的数据帧传输和识别. 例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层.
网络层: 负责地址管理和路由选择. 例如在IP协议中, 通过IP地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)工作在网路层.
传输层: 负责两台主机之间的数据传输. 如传输控制协议 (TCP), 能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机.
应用层: 负责应用程序之间的数据沟通，为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等.

数据传输的封装与分用

不同的协议层对数据包有不同的称谓,在传输层叫做段(segment),在网络层叫做数据报 (datagram),在链路层叫做帧(frame).
应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装

IP地址

作用:标定全公网内唯一台主机。
本质：无符号32位整型，4个字节
192.168.1.1——>点分十进制表示法
点分法每一个字节最大能够表示的数字是255

源IP地址和目的IP地址
源IP：src_ip——>标识数据从哪里来
目的IP：dest_ip——>表示数据往哪里去

port端口号

port：标定特定一台主机上的唯一一个进程。
端口号是一个2字节16位的整数。
用来标识一个进程, 告诉操作系统, 当前的这个数据要交给哪一个进程来处理。
ip地址+端口号能够标识全网某一台主机的某一个进程。
一个端口号只能被一个进程占用。

理解 “端口号” 和 “进程ID”：

端口号是网络进程的标识。
一个进程可以绑定多个端口号; 但是一个端口号不能被多个进程绑定。

网络字节序

字节序：CPU对内存的访问顺序

大端字节序：低地址存高位
小段字节序：低地址存低位

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。

小段机器和大端机器进行网络通信的时候，需要转换字节序。

主机字节序：当前机器的字节序。

字节序转换：
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。

h表示host,n表示network,l表示32位长整数,s表示16位短整数
1.将32位的主机字节序转换为网络字节序

uint32_t htonl(uint32_t hostlog);

2.将32位的网络字节序转换为主机字节序

uint32_t ntohl(uint32_t netlog);

3.将16位的主机字节序转换为网络字节序

uint16_t htons(uint16_t hostshort);

4.将16位的网络字节序转换为主机字节序

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

Socket编程接口

socket 常见API

// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);

// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器) 
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,
 socklen_t address_len);

// 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);

// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,
 socklen_t* address_len);

// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
 socklen_t addrlen);

sockaddr结构

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。
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; 这样的好处是统一接口(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 结构

查看soackaddr内部：

虽然socket api的接口是sockaddr, 但是我们真正在基于IPv4编程时, 使用的数据结构是sockaddr_in; 这个结构里主
要有三部分信息: 地址类型, 端口号, IP地址。

简单的UDP网络程序

实现一个简单的英译汉的功能。

Server端代码：

#pragma once 
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <string>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <map>

class udpServer
{
  private:
    //std::string ip;
    int port;//端口号
    int sock;
    std::map<std::string, std::string> dict;

  public:
    udpServer(int _port = 8080)
      :port(_port)
    {
      dict.insert(std::pair<std::string, std::string>("apple", "苹果"));
      dict.insert(std::pair<std::string, std::string>("banana", "香蕉"));      
      dict.insert(std::pair<std::string, std::string>("student", "学生"));
    }
    
    void initServer()
    {
      sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
      std::cout << "sock: " << sock << std::endl;
      struct sockaddr_in local;//内核层
      local.sin_family = AF_INET;//协议家族IPV4
      local.sin_port = htons(port);
      //local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str()); 
      local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

      if(bind(sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
      {
        std::cerr << "bind error!\n" << std::endl;
        exit(1);
      } 
    }
    
    //echo server 
    void start()
    {
      char msg[64];
      for(;;)
      {
        msg[0] = '\0';
        struct sockaddr_in end_point;//远端
        socklen_t len = sizeof(end_point);
        ssize_t s = recvfrom(sock, msg, sizeof(msg)-1, 0,\
            (struct sockaddr*)&end_point, &len);

        if(s > 0)
        {
          char buf[16];
          sprintf(buf, "%d", ntohs(end_point.sin_port));

          std::string cli = inet_ntoa(end_point.sin_addr);
          cli += ":";
          cli += buf;


          msg[s] = '\0';
          std::cout << cli << "# " << msg << std::endl;
          std::string echo = "unknow";
          auto it = dict.find(msg);
          if(it != dict.end())
          {
            echo = dict[msg];
          }
          //echo_str += " [server echo!]";
          sendto(sock, echo.c_str(), echo.size(), 0,\
              (struct sockaddr*)&end_point, len);
        }
      }
    }
     

    ~udpServer()
    {
      close(sock);
    }
};

Client端代码：

#pragma once 
#include <iostream>
#include <string>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

class udpClient
{
  private:
    std::string ip;
    int port;//端口号
    int sock;

  public:
    //ip,port 填服务器的
    udpClient(std::string _ip = "127.0.0.1", int _port = 8080)
      :ip(_ip),port(_port)
    {
      
    }
    
    void initClient()
    {
      sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
      std::cout << "sock: " << sock << std::endl;
    }
    
    //echo server 
    void start()
    {
      //char msg[64];
      std::string msg;
      struct sockaddr_in peer;
      peer.sin_family = AF_INET;
      peer.sin_port = htons(port);
      peer.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());
      for(;;)
      {
        std::cout << "Please Enter# ";
        std::cin >> msg;
        if(msg == "quit")
        {
          break;
        }

        sendto(sock, msg.c_str(), msg.size(), 0, (struct sockaddr*)&peer, sizeof(peer));
        
        char echo[128];
        ssize_t s = recvfrom(sock, echo, sizeof(echo)-1, 0, nullptr, nullptr);
        if(s > 0)
        {
          echo[s] = '\0';
          std::cout << "server# " << echo << std::endl;
        }
       
      }
    }
     

    ~udpClient()
    {
      close(sock);
    }
};

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