第三天：实现网络编程基于tcp/udp协议在Ubuntu与gec6818开发板之间双向通信

互联网地址

每一台设备接入互联网后，都会举报一个唯一的地址编号

IP地址 INTERNET地址

internet地址：它是协议上的一个逻辑地址

目前来说，我们主要的IP地址有两类 IPV4 IPV6

IPV4 其实就是使用一个32bit整数作为IP

IPV6 其实就是使用一个128bit整数作为IP

ipv4

1010 1100 0000 0010 0000 0001 0000 0001 人类是看不到的

172.2.1.1 给人看的"点分式"

每8bit组成一个十进制数，以 ‘.’ 隔开

2^32 个地址

这么多地址，怎么去管理？

类似电话号码 =区号+主机号

+86 0731 12345678

+86 中国大陆

0731 长沙

12345678 具体那个电话的号码

同理，ip地址也分为两个部分

ip地址=网络号+主机号

网络号：用于标识网络中的某个子网，占ip地址中的高x位

主机号：用于标识同一个子网内的不同主机，占地址中低的(32-x)位

也叫做子网号子网主机号

所占的bit位x又怎么确定呢？

netmask 子网掩码，用来确定一个ip地址中，网络号与主机号的占比

IP地址的bit位在子网掩码中对应的bit为1，就是网络号

在子网掩码中为0，就是主机号

比如：

ip 172.2.1.1

netmask 255.255.255.0

网络号 ip&netmask 172.2.1.0

主机号的范围 172.2.1.0 ~ 172.2.1.255

目前ip地址主要分为5类

在这里插入图片描述

我们常用的是C类网络

端口号

在网络中，可以提供ip地址来区分不同的网络设备

如果两个设备的IP相同 —》ip冲突，只有一台能够接入网络

问题;一台设备上，或许会运行多个网络应用

比如：我打开QQ给你们传文件，同时还在直播上课

那么网络中，怎么知道传递的数据，是由哪个网络应用发起的呢？

ip只能区分是那一台主机，不能区分是那一个应用

为了区分哪个网络应用传输的数据，需要用到端口号

TCP和UDP都是采用16bit无符号整数来作为端口号标识网络应用

IP —>标识网络中的某个设备

端口 —》标识设备上的某个网络应用

一台主机上的网络应用由：

ip地址+传输层协议（TCP/UDP）+端口号来确定

端口号由 IANS 来管理

1-1023 众所周知的端口

比如 HTTP应用 80

FTP服务 20

…

1024-49151 注册端口，提供注册端口

49151-65536 动态或者私有端口，可以随便用

字节序

大端模式

高地址存储低字节低地址存储高字节

小端模式

低地址存储低字节高地址存储高字节

比如： int a = 0x12345678

&a = 0x4000

内存地址	大端模式存储内容	小端模式存储内容
0x4000	0x12	0x78
0x4001	0x34	0x56
0x4002	0x56	0x34
0x4003	0x78	0x12

不同的系统对于内存的管理方法不同，可能采用大端模式，可能采用小端模式

练习：尝试写一个程序，判断自己的Linux系统是大端模式还是小端模式，并且输出结果

int a = 1; //0x00 00 00 01
char *p = &a
if(*p == 1)
{
	printf("小端模式\n");
}
else
{
	printf("大端模式\n");
}

网络字节序采用的是大端模式

网络接口 socket

网络通信接口 socket是一个简单易上手，功能强大的接口

有以下特点：

1.socket是一个编程接口（网络编程接口）

所有的网络程序，都需要基于socket

2.socket也是一个特殊的文件描述符

特殊：可以利用系统文件接口

比如 read write close

但是不能用lseek

它的内容不在文件系统中，也不在内核中，而是在"网络"中

3.socket 是TCP/IP协议的一种代码实现

但是它不仅限于TCP/IP协议，它还支持蓝牙协议，wifi协议,unix域协议

socket独立于具体协议的网络程序接口，位于应用层与传输层之间，负责衔接应用层与传输层

网络通信

网络通信的实现—》 API（应用程序编程接口）

1.socket 创建一个套接字

2.bind 不动，将一个地址（网络应用地址：IP+传输协议+端口）与套接字绑定

3.listen 监听，用于设定服务器监听套接字（监听后就可以获得客户端的请求）

4.accpet 等待连接请求的到来

5.connect 用于发起连接请求

6.通信数据收发

read/write

recv/send

recefrom/send_to

7.关闭套接字

close 套接字也就是一个文件描述符罢了

思考在网络通信在，服务器和客户端双方的通信流程图

在这里插入图片描述

1 socket

NAME
       socket - create an endpoint for communication

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>
		socket用来创建一个通信接口
       int socket(int domain, int type, int protocol);
			@domain：指定域，协议族
            AF_UNIX, AF_LOCAL   Local communication              unix(7)
                unix域协议/本地协议栈
            AF_INET             IPv4 Internet protocols          ip(7)
                IPV4协议族
            AF_INET6            IPv6 Internet protocols          ipv6(7)
                IPV6协议族
            @type：指定套接字类型（选择传输层协议）
				SOCK_STREAM 流式套接字，面向TCP传输层协议
                SOCK_DGRAM  数据报套接字，面向UDP传输层协议
                SOCK_RAW	原始套接字
			@protocol：协议，指定具体那个协议
                一般为0，表示默认
                
             返回值：成功返回一个整数，是一个套接字文件描述符
                失败返回-1，并且errno被设置

2 bind

用于绑定服务器地址（IP+传输层协议+端口号）

NAME
       bind - bind a name to a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>
		bind 绑定一个"名字”给socket（套接字描述符）
       int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                socklen_t addrlen);
			@sockfd：指定套接字描述符，就是socket的返回值
            @addr:指向struct sockaddr 结构体指针，保存的是要绑定的地址
            @addrlen:地址长度，即参数addr的长度，sizeof (struct sockaddr)
		返回值：成功返回0，失败返回-1，并且errno被设置

关于网络应用的地址 =IP+传输层协议+端口号

在头文件<sys/socket.h>中，定义了一个通用的网络应用地址结构体

struct sockaddr {
               sa_family_t sa_family;//指定协议栈，和socket函数的参数domain相同
    
               char        sa_data[14];
    		//数组保存网络应用地址（IP+传输层协议+端口号）
           }

上面这个结构体，并不是很好赋值和使用，一般在网络编程中，网络应用地址赋值可以采用定义在

/usr/include/netinet/in.h中的结构体 struct sockaddr_in

Structure describing an Internet socket address

以太网地址结构体

struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);//协议栈   sin_family
    in_port_t sin_port;			/* 端口号，网络上一般是大端模式，计算机一般是小端模式  */
    struct in_addr sin_addr;		/* 指定ip地址. 
                        typedef uint32_t in_addr_t;
                        struct in_addr
                          {
                            in_addr_t s_addr;
                          };
    */

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

eg:某个网络应用

ip 172.2.1.11

端口 6666

struct sockaddr_in addr;//定义一个网络应用地址结构体addr
addr.sin_family=AF_INET;//协议族
addr.sin_port = htons(6666);//端口号是网络字节序，短整型
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(172.2.1.11);//点分式IP转为32bit整数
int ret = 0;//返回值
ret = bind(sockfd,(struct sockaddr)&addr,sizeof(addr));
if(ret == -1)
{
    perror("bind error");
    return -1;
}
//bind 之后，进程就有了一个网络应用地址，能够进行网络通信

端口本地字节序转网络字节序

h host 主机

to 转换成

n network 网络

s short 16bit

l long 32bit

NAME
       htonl, htons, ntohl, ntohs - convert values between host and network byte order

SYNOPSIS
       #include <arpa/inet.h>

       uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
		将本地字节序转换成网络长整型
       uint16_t htons(uint16_t hostshort);
		将本地字节序转换成网络短整型
       uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
		将网络字节序转换成本地长整型
       uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
		将网络字节序转换成本地短整型
            
        参数就是需要转换的数据
        返回值就是转换之后的数据

点分式ip与32bit ip的转换

NAME
       inet_aton, inet_addr, inet_network, inet_ntoa, inet_makeaddr, inet_lnaof, inet_netof - Internet address manipulation routines

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

		inet_addr是用来将cp指定的点分式ip转换成32bit整数ip返回
       in_addr_t inet_addr(const char *cp);
			@cp 指针，指向要转换的点分式字符串ip
                成功返回转换后的32bit整数

网络通信

网络通信的实现—》 API（应用程序编程接口）

1.socket 创建一个套接字

2.bind 不动，将一个地址（网络应用地址：IP+传输协议+端口）与套接字绑定

3.listen 监听，用于设定服务器监听套接字（监听后就可以获得客户端的请求）

4.accpet 等待连接请求的到来

5.connect 用于发起连接请求

6.通信数据收发

read/write

recv/send

recefrom/send_to

7.关闭套接字

close 套接字也就是一个文件描述符罢了

思考在网络通信在，服务器和客户端双方的通信流程图

在这里插入图片描述

1 socket

NAME
       socket - create an endpoint for communication

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>
		socket用来创建一个通信接口
       int socket(int domain, int type, int protocol);
			@domain：指定域，协议族
            AF_UNIX, AF_LOCAL   Local communication              unix(7)
                unix域协议/本地协议栈
            AF_INET             IPv4 Internet protocols          ip(7)
                IPV4协议族
            AF_INET6            IPv6 Internet protocols          ipv6(7)
                IPV6协议族
            @type：指定套接字类型（选择传输层协议）
				SOCK_STREAM 流式套接字，面向TCP传输层协议
                SOCK_DGRAM  数据报套接字，面向UDP传输层协议
                SOCK_RAW	原始套接字
			@protocol：协议，指定具体那个协议
                一般为0，表示默认
                
             返回值：成功返回一个整数，是一个套接字文件描述符
                失败返回-1，并且errno被设置

2 bind

用于绑定服务器地址（IP+传输层协议+端口号）

NAME
       bind - bind a name to a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>
		bind 绑定一个"名字”给socket（套接字描述符）
       int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                socklen_t addrlen);
			@sockfd：指定套接字描述符，就是socket的返回值
            @addr:指向struct sockaddr 结构体指针，保存的是要绑定的地址
            @addrlen:地址长度，即参数addr的长度，sizeof (struct sockaddr)
		返回值：成功返回0，失败返回-1，并且errno被设置

关于网络应用的地址 =IP+传输层协议+端口号

在头文件<sys/socket.h>中，定义了一个通用的网络应用地址结构体

struct sockaddr {
               sa_family_t sa_family;//指定协议栈，和socket函数的参数domain相同
    
               char        sa_data[14];
    		//数组保存网络应用地址（IP+传输层协议+端口号）
           }

上面这个结构体，并不是很好赋值和使用，一般在网络编程中，网络应用地址赋值可以采用定义在

/usr/include/netinet/in.h中的结构体 struct sockaddr_in

Structure describing an Internet socket address

以太网地址结构体

struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);//协议栈   sin_family
    in_port_t sin_port;			/* 端口号，网络上一般是大端模式，计算机一般是小端模式  */
    struct in_addr sin_addr;		/* 指定ip地址. 
                        typedef uint32_t in_addr_t;
                        struct in_addr
                          {
                            in_addr_t s_addr;
                          };
    */

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

eg:某个网络应用

ip 172.2.1.11

端口 6666

struct sockaddr_in addr;//定义一个网络应用地址结构体addr
addr.sin_family=AF_INET;//协议族
addr.sin_port = htons(6666);//端口号是网络字节序，短整型
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(172.2.1.11);//点分式IP转为32bit整数
int ret = 0;//返回值
ret = bind(sockfd,(struct sockaddr)&addr,sizeof(addr));
if(ret == -1)
{
    perror("bind error");
    return -1;
}
//bind 之后，进程就有了一个网络应用地址，能够进行网络通信

端口本地字节序转网络字节序

h host 主机

to 转换成

n network 网络

s short 16bit

l long 32bit

NAME
       htonl, htons, ntohl, ntohs - convert values between host and network byte order

SYNOPSIS
       #include <arpa/inet.h>

       uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
		将本地字节序转换成网络长整型
       uint16_t htons(uint16_t hostshort);
		将本地字节序转换成网络短整型
       uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
		将网络字节序转换成本地长整型
       uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
		将网络字节序转换成本地短整型
            
        参数就是需要转换的数据
        返回值就是转换之后的数据

点分式ip与32bit ip的转换

NAME
       inet_aton, inet_addr, inet_network, inet_ntoa, inet_makeaddr, inet_lnaof, inet_netof - Internet address manipulation routines

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

		inet_addr是用来将cp指定的点分式ip转换成32bit整数ip返回
       in_addr_t inet_addr(const char *cp);
			@cp 指针，指向要转换的点分式字符串ip
                成功返回转换后的32bit整数

3 listen

设置监听，用于监听网络上是否有客户端向“我”（服务器）发起链接请求

NAME
       listen - listen for connections on a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>
		
       int listen(int sockfd, int backlog);
			@sockfd:指定要监听的套接字描述符
            @backlog:监听数量，大于0就行了
            返回值：成功返回0  
                失败返回-1，并且errno被设置

listen设置去监听套接字描述符，以便知道是否有人(客户端)向我(服务器)发起链接请求

但是listen只监听，不处理链接

Eg:

int ret = 0;
ret = listen(sockfd,10);
if (ret == -1)
{
	perror("listen error");
}

4 accept

用于等待链接请求，并且处理链接请求

accpet会阻塞进程的运行，直到客户端向服务器发起了链接请求（客户端调用了connect)

NAME
       accept, accept4 - accept a connection on a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>

       int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
			@sockfd:指定套接字描述符
            @addr:指向struct sockaddr 结构体空间地址
             		用于存储客户端的地址
            @addrlen:指socklen_t空间地址
                addrlen参数在使用前，需要先赋值 参数addr的长度
                因为在函数内部，会先利用addrlen的值来确保捕获导致内存溢出
                
            返回值：成功返回一个非负数，该值是一个文件描述符===》链接套接字描述符
                用于 服务器与链接的客户端的通信接口
                也就是说服务器是提供accept的返回值 来收发客户端的消息
                失败 返回-1，并且errno被设置

eg:

struct sockaddr_in caddr;//用于保存客户端的地址
socklen_t caddr_len = sizeof(caddr);//保存客户端地址长度，使用前保存该地址空间的长度
int connfd = 0;//用于保存 链接套接字描述符
connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,$caddr_len);
if(connfd == -1)
{
    perror("accept error");
    return -1;
}

如果accept指向成功，则connfd就是服务器与客户端之间的通信接口

如果我们是多次调用accept，那么九年允许多个客户端连接，并且每个客户端连接上来后

服务器上都有一一对应的connfd

5 connect

用于客户端向服务器发起链接请求

NAME
       connect - initiate a connection on a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>

       int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                   socklen_t addrlen);
			@sockfd:指定套接字描述符
            @addr:指定要连接的服务器的地址
            @addrlen:addr的长度
            返回值：成功返回0
                失败返回-1，并且errno被设置

客户端调用 connect发起连接请求后，服务器的acceot接收到连接请求，并返回一个connfd用于服务器与客户端的通信接口

此时，客户端写入/发送数据给sockfd的数据就会通过网络传递给服务器的connfd

服务器就可以从connfd中读取/接收这些数据

eg:

int ret = 0;
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_family=AF_INET;//IPV4协议族
saddr.sin_port = htons(6666);//端口号是网络字节序，短整型
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(172.2.1.110);//客户端的ip
ret = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr，sizeof(saddr));
if (ret == -1)
{
    perror("connect error");
    return -1;
}

6 数据收发

1 read/write

socket的网络通信，其利用的是文件描述符（符合Linux的设计哲学）

2 recv/send 接收/发送

recv 结束

NAME
       recv, recvfrom, recvmsg - receive a message from a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>
       #include <sys/socket.h>
			recv用于从指定的套接字描述符中接收数据（同read)
       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
			@sockfd:指定套接字描述符，即从那个接收输入
            @buf:指向一块缓存区，用于存储接收到的数据
            @len：指定要接收的字节数
            @flags:接收标志位
                0 默认接收，带阻塞接收
                如果能接收到数据就接收数据
                如果不能接收到数据，就一直等待，直到接收到数据
                MSG_DONTWAIT  不阻塞接收
                如果能够接收到数据，则接收数据
                如果不能接收到数据，则直接返回
                
                返回值：
                >0 成功返回实际接收到的字节数
                0 什么都没有接收到
                -1 接收失败，并且errno被设置

send 发送

NAME
       send, sendto, sendmsg - send a message on a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>
       #include <sys/socket.h>
		send 用于向套接字描述符中发送数据
       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
				@sockfd:指定套接字描述符，即发送到那里去
                @buf:指向要发送的数据
                @len:要发送的数据大小，单位字节
                @flags:发送标志位
                    0 阻塞发送
                    MSG_DONTWAIT 非阻塞发送
                    
                返回值 成功返回实际发送的字节数(>=0)
						失败返回-1 并且errno被设置

3 recvfrom/sendto

从哪里接收/发送给谁

特点

recvfrom 可以保存是谁发送过来的数据（保存发送者的地址）

sendto 可以指定发送的对象（地址），定向发送

一般用于UDP通信，很少使用在TCP通信中？WHY?

因为TCP面向连接的通信，在通信前就已经要求通信双方建立连接

UDP是非连接的通信，所以他需要指定发送给谁，要保留发送者的地址

recvfrom

NAME
       recv, recvfrom, recvmsg - receive a message from a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>
       #include <sys/socket.h>
 
       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
		@前面四个参数 同recv
        @src_addr:指向一个 struct sockaddr缓存区（地址），用于存储对方的地址
        @addrlen:指向一个 socklen_t缓存区（地址）用于存储对方地址的长度
            src_addr和addrlen的使用，参考accept函数

sendto

NAME
       send, sendto, sendmsg - send a message on a socket

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

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
		@前四个参数 同send
        @dest_addr：指向一个 struct sockaddr缓存区（地址），表示发送给谁
        @addrlen：即dest_addr的长度

4 recvmsg/sendmsg

以结构体的形式发送数据/接收数据

7 关闭套接字

套接字： socket 套接字描述符

服务器：用于监听，看是否有客户端发起连接请求

客户端：用于客户端与服务器的通信接口

close 关闭套接字

shutdown

NAME
       shutdown - shut down part of a full-duplex connection

SYNOPSIS
       #include <sys/socket.h>
		shutdown用于关闭一个链接通道
       int shutdown(int sockfd, int how);
		@sockfd:指定套关闭那个链接通道
        @how:怎样关闭
            SHUT_RD 关闭读
            SHUT_WR 关闭写
            SHUT_RDWR 关闭读写
		
            返回值：成功返回0
            	失败返回-1，并且errno被设置

eg:我们搭建的服务器，只获取客户端的信息，而不用给客户端发送信息

则可以关闭链接套接字的写功能

shutdown(connfd,SHUT_WR); //connfd 就变成了只读

结合已有函数和示例代码，查看流程图

尝试搭建一个TCP服务器

create_tcpserver 创建TCP服务器

1 创建socket套接字网络通信接口

2 bind 绑定网络应用地址（便于其他应用找到本程序的通信接口）

3 listen 设置监听（内核监听是否有客户端向服务器发起连接请求）

mian

1 创建服务器 create_tcpserver

2 等待客户端的连接请求，并于客户端建立连接 accept的返回值connfd就是一个用来与客户端通信的描述符

（链接套接字描述符）

3 根据需求，编写与客户端的通信

案例：实现Ubuntu与开发板互相通信

点此跳转查看案例源码