Linux应用开发基础知识——网络通信编程(九)

news2024/11/17 5:40:56

前言：

通过学习为后续Linux网络编程奠定基础。首先介绍网络编程的概念，即网络协议分层，旨在帮助读者对网络建立初步的、全面立体的认识，其次介绍包括协议、端口、地址等；最后介绍应用非常广泛的传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）的基本概念及其区别以及这两种协议的编程。

一、网络编程概念

1 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。

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。        

2.两种传输方式：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： 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。 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。

        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

        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

    TCP协议

  UDP协议

二、网络编程主要函数介绍

1.socket 函数

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

此函数用于创建一个套接字。

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。

        AF_INET 是针对 Internet 的，因而可以允许远程通信使用。

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。

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。

2.bind 函数

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

函数用于将地址绑定到一个套接字。

sockfd 是由 socket 函数调用返回的文件描述符。

my_addr 是一个指向 sockaddr 的指针。

addrlen 是 sockaddr 结构的长度。

sockaddr 的定义

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

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 sin_family 一般为 AF_INET

sin_addr 设置为 INADDR_ANY 表示可以和任何的主机通信。

sin_port 是要监听的端口号。 

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。

3.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。

sockfd 是 bind 后的文件描述符。

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。

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。

 4.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。

sockfd 是 listen 后的文件描述符。

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。

accept函数 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 。

5. 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。

sockfd 是 socket 函数返回的文件描述符。

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。

addrlen 是 serv_addr 的长度

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。

6.send 函数

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

sockfd 指定发送端套接字描述符；

buf 指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；

len 指明实际要发送的数据的字节数；

flags 一般置 0。

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

7.recv 函数

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

sockfd 指定接收端套接字描述符；

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；

len 指明 buf 的长度；

flags 一般置 0。

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

8. recvfrom 函数

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

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。 

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。

addrlen 常置为 sizeof （struct sockaddr）。

9.sendto 函数

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

 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。

 bdest_addr 表示目地机的 IP 地址和端口号信息

 addrlen 常常被赋值为 sizeof （struct sockaddr）。

 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。

三、TCP 编程

1.服务器端 server.c

  1 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
  2 #include <sys/socket.h>
  3 #include <string.h>
  4 #include <sys/socket.h>
  5 #include <netinet/in.h>
  6 #include <arpa/inet.h>
  7 #include <unistd.h>
  8 #include <stdio.h>
  9 #include <signal.h>
 10
 11
 12 /* socket
 13  * bind
 14  * listen
 15  * accept
 16  * send/recv
 17  */
 18
 19 #define SERVER_PORT 8888
 20 #define BACKLOG     10
 21
 22 int main(int argc, char **argv)
 23 {
 24     int iSocketServer;
 25     int iSocketClient;
 26     struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
 27     struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
 28     int iRet;
 29     int iAddrLen;
 30
 31     int iRecvLen;
 32     unsigned char ucRecvBuf[1000];
 33
 34     int iClientNum = -1;
 35
 36     signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
 37
 38     iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 39     if (-1 == iSocketServer)
 40     {
 41         printf("socket error!\n");
 42         return -1;
 43     }
 44
 45     tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
 46     tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 47     tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 48     memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
 49
 50     iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
 51     if (-1 == iRet)
 52     {
 53         printf("bind error!\n");
 54         return -1;
 55     }
 56
 57     iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG);
 58     if (-1 == iRet)
 59     {
 60         printf("listen error!\n");
 61         return -1;
 62     }
 63
 64     while (1)
 65     {
 66         iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
 67         iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
 68         if (-1 != iSocketClient)
 69         {
 70             iClientNum++;
 71             printf("Get connect from client %d : %s\n",  iClientNum, inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr));
 72             if (!fork())
 73             {
 74                 /*子进程的源码*/
 75                 while (1)
 76                 {
 77                     /* 接收客户端发来的数据并显示出来 */
 78                     iRecvLen = recv(iSocketClient, ucRecvBuf, 999, 0);
 79                     if (iRecvLen <= 0)
 80                     {
 81                         close(iSocketClient);
 82                         return -1;
 83                     }
 84                     else
 85                     {
 86                         ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
 87                         printf("Get Msg From Client %d: %s\n", iClientNum, ucRecvBuf);
 88                     }
 89                 }
 90             }
 91         }
 92     }
 93
 94     close(iSocketServer);
 95     return 0;
 96 }

 第19行： 宏定义一个端口

 第20行： 宏定义一个同时监听多少路连接

 第26行： 定义一个服务器端的sockaddr_in结构体

 第27行： 定义一个客户端的sockaddr_in结构体

38 iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

  第38行：创建一个套接字   

                AF_INET 是针对 Internet 的，因而可以允许远程通信使用

                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。

                 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。

 第45行：如果使用 Internet 所以 sin_family 一般为 AF_INET

 第46行：sin_port 是要监听的端口号，端口号19行有定义 

 第47行：sin_addr 设置为 INADDR_ANY 表示可以和任何的主机通信，监测本机上所有的IP。

 第48行：将结构体中sin_zero[8]设置为0。

 50 iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));

 第50行：将地址绑定到一个套接字

                sockfd 是由 socket 函数调用返回的文件描述符。

                my_addr 是一个指向 sockaddr 的指针。 

                addrlen 是 sockaddr 结构的长度。      

​57 iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG);

第57行：宣告服务器可以接受连接请求。

                sockfd 是 bind 后的文件描述符。

                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。

 67 iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);

第67行： 获得连接请求，并且建立连接。           

                sockfd 是 listen 后的文件描述符。

                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。

                accept函数 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 。

第68行： 如果！= -1则表明已经连接成功

第70行：统计客户端的数量

第71行： 获取并且打印客户端

第72行： 当遇到进程会复制一个新进程，实现接收多个客户端

第75~89行：子进程源码

                     接收客户端发来的数据并显示出来

第94行： 关闭服务器端

2.客户端 client.c

  1 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
  2 #include <sys/socket.h>
  3 #include <string.h>
  4 #include <sys/socket.h>
  5 #include <netinet/in.h>
  6 #include <arpa/inet.h>
  7 #include <unistd.h>
  8 #include <stdio.h>
  9
 10 /* socket
 11  * connect
 12  * send/recv
 13  */
 14
 15 #define SERVER_PORT 8888
 16
 17 int main(int argc, char **argv)
 18 {
 19     int iSocketClient;
 20     struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
 21
 22     int iRet;
 23     unsigned char ucSendBuf[1000];
 24     int iSendLen;
 25
 26     if (argc != 2)
 27     {
 28         printf("Usage:\n");
 29         printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
 30         return -1;
 31     }
 32
 33     iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 34
 35     tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
 36     tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 37     //tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 38     if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
 39     {
 40         printf("invalid server_ip\n");
 41         return -1;
 42     }
 43     memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
 44
 45
 46     iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
 47     if (-1 == iRet)
 48     {
 49         printf("connect error!\n");
 50         return -1;
 51     }
 52
 53     while (1)
 54     {
 55         if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
 56         {
 57             iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
 58             if (iSendLen <= 0)
 59             {
 60                 close(iSocketClient);
 61                 return -1;
 62             }
 63         }
 64     }
 65
 66     return 0;
 67 }
 68

第19行： 定义客户端

第20行： 服务器端的地址 

第23行： 客户端信息的空间

第24行： 发送的长度

第26~36行： 获取服务器端的地址并且打印出来，第33行分配一个地址

第38~42行：将IP地址转换并存到 &tSocketServerAddr.sin_addr

46 iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));

第46行 ：建立客户端与服务器端的联系，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。          

                sockfd 是 socket 函数返回的文件描述符。

                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。

                addrlen 是 serv_addr 的长度

                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。

第55行： 获得缓冲区

57 iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);

第57行： send 函数来向 TCP 连接的另一端发送数据             

                sockfd 指定发送端套接字描述符；

                buf 指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；

                len 指明实际要发送的数据的字节数；

                flags 一般置 0

第58~ 62行： 如果发送失败关闭客户端并且返回-1

3.运行测试：

四、UDP编程

1.服务器端 server.c


  1 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
  2 #include <sys/socket.h>
  3 #include <string.h>
  4 #include <sys/socket.h>
  5 #include <netinet/in.h>
  6 #include <arpa/inet.h>
  7 #include <unistd.h>
  8 #include <stdio.h>
  9 #include <signal.h>
 10
 11
 12 /* socket
 13  * bind
 14  * sendto/recvfrom
 15  */
 16
 17 #define SERVER_PORT 8888
 18
 19 int main(int argc, char **argv)
 20 {
 21     int iSocketServer;
 22     int iSocketClient;
 23     struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
 24     struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
 25     int iRet;
 26     int iAddrLen;
 27
 28     int iRecvLen;
 29     unsigned char ucRecvBuf[1000];
 30
 31     int iClientNum = -1;
 32
 33     iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 34     if (-1 == iSocketServer)
 35     {
 36         printf("socket error!\n");
 37         return -1;
 38     }
 39
 40     tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
 41     tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 42     tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 43     memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
 44
 45     iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
 46     if (-1 == iRet)
 47     {
 48         printf("bind error!\n");
 49         return -1;
 50     }
 51
 52
 53     while (1)
 54     {
 55         iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
 56         iRecvLen = recvfrom(iSocketServer, ucRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
 57         if (iRecvLen > 0)
 58         {
 59             ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
 60             printf("Get Msg From %s : %s\n", inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr), ucRecvBuf);
 61         }
 62     }
 63
 64     close(iSocketServer);
 65     return 0;
 66 }

第33行： SOCK_DGRAM设置为UDP模式

 56 iRecvLen = recvfrom(iSocketServer, ucRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);

第55行： 获取地址长度

第56行： 可以获得发送者的地址

              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

              addrlen 常置为 sizeof （struct sockaddr） 

2.客户端 client.c

  1 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
  2 #include <sys/socket.h>
  3 #include <string.h>
  4 #include <sys/socket.h>
  5 #include <netinet/in.h>
  6 #include <arpa/inet.h>
  7 #include <unistd.h>
  8 #include <stdio.h>
  9
 10 /* socket
 11  * connect
 12  * send/recv
 13  */
 14
 15 #define SERVER_PORT 8888
 16
 17 int main(int argc, char **argv)
 18 {
 19     int iSocketClient;
 20     struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
 21
 22     int iRet;
 23     unsigned char ucSendBuf[1000];
 24     int iSendLen;
 25     int iAddrLen;
 26
 27     if (argc != 2)
 28     {
 29         printf("Usage:\n");
 30         printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
 31         return -1;
 32     }
 33
 34     iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 35
 36     tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
 37     tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 38     //tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 39     if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
 40     {
 41         printf("invalid server_ip\n");
 42         return -1;
 43     }
 44     memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
 45
 46 #if 0
 47     iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
 48     if (-1 == iRet)
 49     {
 50         printf("connect error!\n");
 51         return -1;
 52     }
 53 #endif
 54
 55     while (1)
 56     {
 57         if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
 58         {
 59 #if 0
 60             iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
 61 #else
 62             iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
 63             iSendLen = sendto(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0,
 64                                   (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, iAddrLen);
 65
 66 #endif
 67             if (iSendLen <= 0)
 68             {
 69                 close(iSocketClient);
 70                 return -1;
 71             }
 72         }
 73     }
 74
 75     return 0;
 76 }
 77

 63 iSendLen = sendto(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0,
 64             (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, iAddrLen);

第63和64行：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。

                 bdest_addr 表示目地机的 IP 地址和端口号信息

                 addrlen 常常被赋值为 sizeof （struct sockaddr）。

                 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。 

3.运行测试

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