Linux下的网络编程——网络基础、socket编程（一）

news2024/12/31 4:53:12

前言：

前面我们学习了Linux的系统编程，从今天我们就要开始Linux网络编程的学习了，Linux网络编程中的知识点可能没有前面的Linux系统多一点，但是基础的网络知识我们还是需要了解的，并且网络编程中的socket编程的知识也是相当重要的，那么现在我们就开始Linux网络编程的学习吧。

目录

一、协议

1.  7层模型和4层模型及代表协议

2.  网络传输数据封装流程

3.  以太网帧和ARP请求

二、*IP协议

​三、端口号和UDP协议

四、TCP协议

五、BS和CS模型对比

c/s模型：

b/s模型：

 六、***套接字

1.网络字节序

2.*IP地址转换函数：

3.sockaddr地址结构

4.**** socket模型创建流程分析

（1）socket：

（2）bind :

（3）listen

（4）*accept

（5）connect

5.****CS模型的TCP通信分析

   （1） server:

    （2）client:

（3）**server的实现

（4）client的实现

一、协议

协议：

    一组规则。

1.  7层模型和4层模型及代表协议

分层模型结构：

    OSI七层模型：  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 4层模型：网络接口层（链路层/网络接口层）、网络层、传输层、应用层

       应用层：http、ftp、nfs、ssh、telnet。。。

       传输层：TCP、UDP

       网络层：IP、ICMP、IGMP

       链路层：以太网帧协议、ARP

2.  网络传输数据封装流程

网络传输流程：

         数据没有封装之前，是不能在网络中传递。

         数据-》应用层-》传输层-》网络层-》链路层  --- 网络环境

3.  以太网帧和ARP请求

 

以太网帧协议：

    ARP协议：根据 Ip 地址获取 mac 地址。

    以太网帧协议：根据mac地址，完成数据包传输。

二、*IP协议

IP协议：

    版本： IPv4、IPv6  -- 4位

    TTL： time to live 。 设置数据包在路由节点中的跳转上限。每经过一个路由节点，该值-1， 减为0的路由，有义务将该数据包丢弃

    源IP： 32位。--- 4字节     192.168.1.108 --- 点分十进制 IP地址（string）  --- 二进制

    目的IP：32位。--- 4字节

三、端口号和UDP协议

UDP：

    16位：源端口号。 2^16 = 65536 

    16位：目的端口号。

IP地址：可以在网络环境中，唯一标识一台主机。

端口号：可以网络的一台主机上，唯一标识一个进程。

ip地址+端口号：可以在网络环境中，唯一标识一个进程。

四、TCP协议

TCP协议：

    16位：源端口号。 2^16 = 65536 

    16位：目的端口号。

    32序号;

    32确认序号。 

    6个标志位。

    16位窗口大小。   2^16 = 65536

五、BS和CS模型对比

c/s模型：

    客户端服务器模型（client-server）

b/s模型：

    浏览器服务器模型（browser-server）

                        C/S                                                                   B/S

    优点： 缓存大量数据、协议选择灵活、速度快                 安全性、跨平台、开发工作量较小

    缺点： 安全性、跨平台、开发工作量较大                         不能缓存大量数据、严格遵守 http

 六、***socket编程

网络套接字：  socket 

    一个文件描述符指向一个套接字（该套接字内部由内核借助两个缓冲区实现。）

    在通信过程中， 套接字一定是成对出现的。

套接字原理图：

1.网络字节序

    小端法：（pc本地存储）   高位存高地址。地位存低地址。    int a = 0x12345678

    大端法：（网络存储）       高位存低地址。地位存高地址。

    TCP/IP协议规定，网络数据流应采用大端字节序

        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。
 

    htonl --> 本地--》网络 （IP）      192.168.1.11 --> string --> atoi --> int --> htonl --> 网络字节序

    htons --> 本地--》网络 (port)

    ntohl --> 网络--》 本地（IP）

    ntohs --> 网络--》 本地（Port）

    h表示 host，n表示network，l表示32位长整数，s表示16位短整数。

2.*IP地址转换函数：

    int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);     

   本地字节序（string IP） ---> 网络字节序

       af：  AF_INET(IPv4)、AF_INET6(IPv6)

       src：传入，IP地址（点分十进制）

       dst：传出，转换后的网络字节序的 IP地址。

       返回值：

           成功： 1

           异常： 0， 说明src指向的不是一个有效的ip地址。

           失败：-1

    const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size); 

    网络字节序 ---> 本地字节序（string IP）

       af： AF_INET(IPv4)、AF_INET6(IPv6)

       src: 网络字节序IP地址

       dst：本地字节序（string IP）

       size： dst 的大小

       返回值： 成功：dst  

                      失败：NULL

3.sockaddr地址结构

    sockaddr地址结构：   IP + port  --> 在网络环境中唯一标识一个进程。

	struct sockaddr_in addr;

	addr.sin_family = AF_INET/AF_INET6				man 7 ip

	addr.sin_port = htons(9527);
			
		int dst;

		inet_pton(AF_INET, "192.157.22.45", (void *)&dst);

	addr.sin_addr.s_addr = dst;

	addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//【*】取出系统中有效的任意IP地址,二进制类型。

	bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, size);

4.**** socket模型创建流程分析

****注意：

                一个客户端与一个服务端建立通信之间有3个套接字。

示例：小写字母转大写字母        hello------》HELLO

（1）socket：

 #include <sys/socket.h>

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

        创建一个套接字

       domain：（IP地址协议），AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX

       type：SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM

       protocol: 0

       返回值：

           成功： 新套接字所对应文件描述符

           失败: -1 errno

fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

（2）bind :

#include <arpa/inet.h>

     int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);    

       给socket绑定一个 地址结构 (IP+port)

       sockfd: socket 函数返回值        

  struct sockaddr_in addr;

  addr.sin_family = AF_INET;

  addr.sin_port = htons(9527);

  addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

  addr: 传入参数(struct sockaddr *)&addr

  addrlen: sizeof(addr) 地址结构的大小。
 bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));//给服务器socket绑定地址结构（IP+port)

    返回值：

           成功：0

           失败：-1 errno

（3）listen

int listen(int sockfd, int backlog);     

设置同时与服务器建立连接的上限数。（同时进行3次握手的客户端数量）

       sockfd: socket 函数返回值

       backlog：上限数值。最大值 128.

       返回值：

           成功：0

           失败：-1 errno   

（4）*accept

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

阻塞等待客户端建立连接，成功的话，返回一个与客户端成功连接的socket文件描述符。

       sockfd: socket 函数返回值

       addr：传出参数。成功与服务器建立连接的那个客户端的地址结构（IP+port）

           socklen_t clit_addr_len = sizeof(addr);

           addrlen：传入传出。 &clit_addr_len

            入：addr的大小。 出：客户端addr实际大小。

       返回值：

           成功：能与客户端进行数据通信的 socket 对应的文件描述。

           失败： -1 ， errno

（5）connect

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);     

使用现有的 socket 与服务器建立连接

          sockfd： socket 函数返回值 

 struct sockaddr_in srv_addr;       // 服务器地址结构

 srv_addr.sin_family = AF_INET;

 srv_addr.sin_port = htons(9527)    跟服务器bind时设定的 port 完全一致。

 inet_pton(AF_INET, "服务器的IP地址"，&srv_adrr.sin_addr.s_addr);

 addr：传入参数,服务器的地址结构    

 addrlen：服务器的地址结构的大小
connect(cfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

       返回值：

           成功：0

           失败：-1 errno

       如果不使用bind绑定客户端地址结构, 采用"隐式绑定".

5.****CS模型的TCP通信分析

TCP通信流程分析:

   （1） server:

       1. socket()   创建socket

       2. bind()  绑定服务器地址结构

       3. listen()   设置监听上限

       4. accept()   阻塞监听客户端连接

       5. read(fd)   读socket获取客户端数据

       6. 小--大写   toupper()

       7. write(fd)

       8. close();

    （2）client:

       1. socket()   创建socket

       2. connect(); 与服务器建立连接

       3. write() 写数据到 socket

       4. read()  读转换后的数据。

       5. 显示读取结果

       6. close()

（3）**server的实现

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>

#define SERV_PORT 9527


void sys_err(const char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int lfd = 0, cfd = 0;    //建立联系通信
    int ret, i;
    char buf[BUFSIZ], client_IP[1024];

    struct sockaddr_in serv_addr, clit_addr;  // 定义服务器地址结构 和 客户端地址结构
    socklen_t clit_addr_len;				  // 客户端地址结构大小

    serv_addr.sin_family = AF_INET;				// IPv4
    serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);		// 转为网络字节序的 端口号
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);	// 获取本机任意有效IP

    lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);		//创建一个 socket
    if (lfd == -1) {
        sys_err("socket error");
    }

    bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));//给服务器socket绑定地址结构（IP+port)

    listen(lfd, 128);					//	设置监听上限

    clit_addr_len = sizeof(clit_addr);	// 	获取客户端地址结构大小

    cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&clit_addr, &clit_addr_len);	// 阻塞等待客户端连接请求
    if (cfd == -1)
        sys_err("accept error");

    printf("client ip:%s port:%d\n", 
            inet_ntop(AF_INET, &clit_addr.sin_addr.s_addr, client_IP, sizeof(client_IP)), 
            ntohs(clit_addr.sin_port));	// 根据accept传出参数，获取客户端 ip 和 port

    while (1) {
        ret = read(cfd, buf, sizeof(buf));		// 读客户端数据
        write(STDOUT_FILENO, buf, ret);			// 写到屏幕查看

        for (i = 0; i < ret; i++)				// 小写 -- 大写
            buf[i] = toupper(buf[i]);

        write(cfd, buf, ret);					// 将大写，写回给客户端。
    }

    close(lfd);
    close(cfd);

    return 0;
}

（4）client的实现

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>

#define SERV_PORT 9527

void sys_err(const char *str)
{
	perror(str);
	exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int cfd;
    int conter = 10;
    char buf[BUFSIZ];
    
    struct sockaddr_in serv_addr;          //服务器地址结构

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    //inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr.s_addr);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr);

    cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (cfd == -1)
        sys_err("socket error");

    int ret = connect(cfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    if (ret != 0)
        sys_err("connect err");

    while (--conter) {
        write(cfd, "hello\n", 6);
        ret = read(cfd, buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
        sleep(1);
    }

    close(cfd);

	return 0;
}

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