一、预备知识

【1.1】理解源IP地址和目的IP地址

【1.2】认识端口号

【1.3】理解 "端口号" 和 "进程ID"

【1.4】理解源端口号和目的端口号

【1.5】认识TCP协议

【1.6】认识UDP协议

二、网络字节序

【2.1】socket编程接口

【2.1.1】socket API

【2.1.2】bind API

【2.1.3】listen API

【2.1.4】accept API

【2.1.5】connect API

【2.1.6】recvfrom API

【2.1.7】sendto API

【2.2】端口转换函数

【2.3】地址转换函数

【2.3】sockaddr结构

【2.3.1】sockaddr 结构

【2.3.2】sockaddr_in 结构

【2.3.3】sockaddr结构专用初始化函数

三、netstat 查看系统网络

【5】UDP实现网络通信

【5.1】Makefile文件代码

【5.2】UdpServer文件代码

【5.2.1】UdpServer.hpp文件代码

【5.2.2】UdpServer.cc文件代码

【5.3】UdpClient文件代码

【5.3.1】UdpClient.hpp文件代码

【5.3.2】UdpClient.cc文件代码

【7】TCP实现网络通信

【7.1】Makefile文件代码

【7.2】Log.hcc文件代码

【7.3】TcpServer文件代码

【7.3.1】TcpServer.hpp文件代码

【7.3.2】TcpServer.cc文件代码

【7.4】TcpClient文件代码

【7.4.1】TcpClient.hpp文件代码

【7.4.2】TcpClient.cc文件代码

【9】TCP协议通讯流程

【10】TCP 和 UDP 对比

Linux网络编程套接字(C++)

一、预备知识

【1.1】理解源IP地址和目的IP地址

在IP数据包头部中, 有两个IP地址, 分别叫做源IP地址, 和目的IP地址。

【思考】 我们光有IP地址就可以完成通信了嘛? 想象一下发qq消息的例子, 有了IP地址能够把消息发送到对方的机器上,但是还需要有一个其他的标识来区分出, 这个数据要给哪个程序进行解析。

为了更好的表示唯一主机服务进程的唯一性，我们采用端口号port，标识服务器进程，客户端进程的唯一性。

【1.2】认识端口号

端口号(port)是传输层协议的内容：

端口号是一个2字节16位的整数。
端口号用来标识一个进程, 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 + 端口号能够标识网络上的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。

ip地址(主机全网唯一性) + 该主机上的端口号，标识服务器上进程的唯一性（ip + PortA ，ip + PortB）,网络通信的本质：其实就是进程与进程间的通信，ip保证(全网唯一)，port保证(主机唯一)。

【1.3】理解 "端口号" 和 "进程ID"

我们之前在学习系统编程的时候, 学习了 pid 表示唯一一个进程; 此处我们的端口号也是唯一表示一个进程. 那么这两者之间是怎样的关系?

另外, 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。

【1.4】理解源端口号和目的端口号

传输层协议(TCP和UDP)的数据段中有两个端口号, 分别叫做源端口号和目的端口号. 就是在描述 "数据是谁发的, 要发给谁";

【1.5】认识TCP协议

此处我们先对TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)有一个直观的认识; 后面我们再详细讨论TCP的一些细节问题。

传输层协议
有连接
可靠传输
面向字节流

【1.6】认识UDP协议

此处我们也是对UDP(User Datagram Protocol用户数据报协议)有一个直观的认识; 后面再详细讨论。

传输层协议
无连接
不可靠传输
面向数据报

二、网络字节序

【2.1】socket编程接口

#include <socket.h>
// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
// domain : 域：本地通信、网络通信
// type   : 我们socket提供的能力类型

#include <socket.h>
// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,
 socklen_t address_len);
// socket : 绑定指定的文件描述符
// sockaddr : 参数结构

#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h>
// 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);

#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h>
// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,socklen_t* address_len);

#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h>
// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);

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

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

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
// 发送数据
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

【2.1.1】socket API

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

socket()打开一个网络通讯端口,如果成功的话,就像open()一样返回一个文件描述符。
应用程序可以像读写文件一样用read/write在网络上收发数据。
如果socket()调用出错则返回-1。对于IPv4, family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。
protocol参数的介绍从略,指定为0即可。

【2.1.2】bind API

#include <sys/socket.h>
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,socklen_t address_len);

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; 服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号。
bind()成功返回0,失败返回-1。
bind()的作用是将参数sockfd和myaddr绑定在一起, 使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听 myaddr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,myaddr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。

【2.1.3】listen API

#include <sys/socket.h>
int listen(int socket, int backlog);

listen()声明sockfd处于监听状态, 并且最多允许有backlog个客户端处于连接等待状态, 如果接收到更多的连接请求就忽略, 这里设置不会太大(一般是5), 具体细节同学们课后深入研究。
listen()成功返回0,失败返回-1。

【2.1.4】accept API

#include <sys/socket.h>
int accept(int socket, struct sockaddr *restrict address, socklen_t *restrict address_len);

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; 如果给addr 参数传NULL,表示不关心客户端的地址。
addrlen参数是一个传入传出参数(value-result argument), 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);。

【2.1.5】connect API

#include <sys/socket.h>
int connect(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

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。
connect()成功返回0,出错返回-1。

【2.1.6】recvfrom API

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

sockfd：文件描述符(套接字)的网络端口
buf：读取到缓冲区
len：缓冲区长度
flags：读取方式默认为0(阻塞式读取)
src_addr：读取到的套接字信息
addrlen：套接字长度

【2.1.7】sendto API

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

sockfd：文件描述符(套接字)的网络端口
buf：发送的缓冲区
len：缓冲区长度
flags：发送方式默认为0(阻塞式发送)
dest_addr：自己的套接字信息发送出去
addrlen:套接字长度

【2.2】端口转换函数

我们已经知道,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。
不管这台主机是大端机还是小端机, 都会按照这个TCP/IP规定的网络字节序来发送/接收数据。
如果当前发送主机是小端, 就需要先将数据转成大端; 否则就忽略, 直接发送即可。

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>
// 函数将无符号整数hostlong从主机字节顺序转换为网络字节顺序.
uint32_t htonl(uint32_t, hostlong);

#include <arpa/inet.h>
// 函数将无符号短整数hostshort从主机字节顺序转换为网络字节顺序.
uint16_t htons(uint16_t, hostshort);

#include <arpa/inet.h>
// 函数将无符号整数netlong从网络字节顺序转换为主机字节顺序.
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

#include <arpa/inet.h>
// 函数将无符号短整数netshort从网络字节顺序转换为主机字节顺序.
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

这些函数名很好记,h表示host,n表示network,l表示32位长整数,s表示16位短整数。
例如htonl表示将32位的长整数从主机字节序转换为网络字节序,例如将IP地址转换后准备发送。
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。

【2.3】地址转换函数

本节只介绍基于IPv4的socket网络编程,sockaddr_in中的成员struct in_addr sin_addr表示32位的IP 地址但是我们通常用点分十进制的字符串表示IP 地址,以下函数可以在字符串表示和in_addr表示之间转换

inet_aton, inet_addr, inet_network, inet_ntoa, inet_makeaddr, inet_lnaof, inet_netof - Internet地址操作例程

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

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);

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

// inet_addr()函数的作用是:将Internet主机地址cp从IPv4的数字点法转换为网络字节顺序的二进制数据。如果输入无效，INADDR_NONE(通常是-1)返回。使用这个函数是有问题的，因为-1是一个有效的地址(255.255.255.255)。避免使用inet_aton()、inet_pton(3)或getad‐Drinfo(3)提供了一种更清晰的方式来指示错误返回。
in_addr_t inet_addr(const char *cp);

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

in_addr_t inet_network(const char *cp);

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

// net_ntoa()函数的作用是:将Internet主机地址(以网络字节顺序给出)转换为IPv4点分十进制格式的字符串。字符串以静态方式返回已分配的缓冲区，后续调用将覆盖该缓冲区。
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

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

struct in_addr inet_makeaddr(int net, int host);

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

in_addr_t inet_lnaof(struct in_addr in);

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

in_addr_t inet_netof(struct in_addr in);

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*addrptr。

【2.3】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 DomainSocket. 然而, 各种网络协议的地址格式并不相同。

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。

【2.3.1】sockaddr 结构

sockaddr在头文件#include <sys/socket.h>中定义，sockaddr的缺陷是：sa_data把目标地址和端口信息混在一起了，如下：

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               
};