linux系统编程 socket part2

news2024/11/23 10:59:35

报式套接字

    • 1.动态报式套接字
    • 2.报式套接字的广播
    • 3.报式套接字的多播
    • 4.UDP协议分析
      • 4.1.丢包原因
      • 4.2.停等式流量控制

接linux系统编程 socket part1

1.动态报式套接字

在之前的例子上，发送的结构体中的名字由定长改变长。可以用变长结构体。
变长结构体是由gcc扩展的一种技术，它是指其最后一个成员的长度不固定（flexible array member，也叫柔性数组）。
使用范围：数据长度不固定，例如协议对接中有固定的头结构体，数据结构体不固定。

struct Var_Len_Struct
{
    int nsize;
    char buffer[0];
    // 或者不指定大小 char buffer[];
};

结构体中的最后一个元素：一个没有元素的数组（柔性数组）。我们可以通过动态开辟一个比结构体大的空间，然后让buffer去指向那些额外的空间，这样就可以实现可变长的结构体了。更为巧妙的是，我们甚至可以用nsize存储字符串buffer的长度。

修改代码如下

proto.h
定义NAMEMAX接收名字的最大长度，因为接收方不知道大小，需要按照最大长度接收
使用变长数组，最后一个元素为0或者为空

#ifndef __PROTO_H_
#define __PROTO_H_

#define RECVPORT 1986
#define NAMEMAX (512-8-8) // 512为udp包推荐的字节数，8为udp的报头大小，8为结构体中固定长度的大小，即math和chinese

struct msg_t
{
    uint32_t chinese;
    uint32_t math;
    //变长
    uint8_t name[0];
}__attribute__((packed));


# endif

snder.cpp
1.发送的结构体改为结构体指针
2.计算发送的结构体大小 sizeof(struct) + strlen(name)
3.动态申请内存malloc
4.sendto函数相应修改

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

#include "proto.h"

int main(int argc, char **argv) {
    int sd;
    //结构体改为结构体指针
    msg_t* sendmssg;
    struct sockaddr_in raddr;
    
    if (argc < 3) {
        perror("Usage");
        exit(1);
    }

    //strlen()不包括字符串结尾的空字符 '\0'
    //sizeof(argv[2]) 返回的是指针的大小，而不是字符串的长度
    if (strlen(argv[2]) > NAMEMAX) {
        std::cout << "name id too long" << std::endl;
        exit(1);
    }

    //创建socket
    sd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sd < 0) {
        perror("socker()");
        exit(1);
    }
    //本地绑定（可以省略）
    
    //填写发送消息
    //变长，先计算结构体的长度
    int size = sizeof (msg_t) + strlen(argv[2]);
    //申请内存
    sendmssg = (msg_t*)malloc(size);
    if (sendmssg == NULL) {
        perror("malloc()");
        exit(1);
    }

    memcpy(sendmssg->name, argv[2], strlen(argv[2])+1);
    sendmssg->chinese = ntohs(100);
    sendmssg->math = ntohs(100);
    
    //对端地址
    raddr.sin_family = AF_INET;
    raddr.sin_port = ntohs(RECVPORT);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &raddr.sin_addr);

    //发送
    if (sendto(sd, sendmssg, size, 0, (const sockaddr*)&raddr, sizeof(raddr)) == -1) {
        perror("sendto()");
        exit(1);
    }
    //关闭
    close(sd);
}

rcver.cpp
1.接收的结构体改结构体指针
2.按最大长度NAMEMAX计算接收结构体的长度
3.动态分配内存
4.recvfrom函数相应修改

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

#include "proto.h"
#define IPSTRSIZE        64

int main() {
    // 套接字描述符
    int sd;
    
    // laddr -- local address -- 本机地址
    // raddr -- remote address -- 对端地址
    sockaddr_in laddr, raddr;
    socklen_t raddr_len;
    
    // 结构体指针，存储接收到的结构体
    msg_t* mssg;

    // 存储对端地址，点分式
    char ipstr[IPSTRSIZE];
    
    //创建socket，创建协议为ipv4的报式套接字，0为默认协议，即UDP
    sd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sd < 0) {
        perror("socker()");
        exit(1);
    }

    //填写本机的地址信息
    laddr.sin_family = AF_INET;
    //ip地址和网络端口号是要通过网络发送过去的,所以需要考虑字节序的问题,也就是htons
    laddr.sin_port = htons(RECVPORT);
    // 因为本机的ip地址有可能会变化,为了避免ip地址每一次变化,都要进来修改,所以给它匹配一个万能地址0.0.0.0
    // 对"0.0.0.0"的定义是any address.就是说在当前绑定阶段,本机的ip地址是多少,这四个0就会自动换成当前的ip地址.
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &laddr.sin_addr.s_addr);
    
    //绑定接收的ip地址和端口号
    if (bind(sd, (const sockaddr*)&laddr, sizeof(laddr)) < 0) {
        perror("sendto()");
        exit(1);
    }
    
    // 接收
    // ！！！！这里一定要初始化对端地址的大小！！！
    raddr_len = sizeof(raddr);
    
    //不知道对端的地址大小，按最大的来接
    int size = sizeof(msg_t) + NAMEMAX - 1; 
    mssg = (msg_t*)malloc(size);
    
    while (1) {
        if (recvfrom(sd, mssg, size, 0, (sockaddr*)&raddr, &raddr_len) < 0) {
            perror("recvfrom()");
            exit(1);
        }
        inet_ntop(AF_INET, &raddr.sin_addr, ipstr, IPSTRSIZE);
        std::cout << "---------recive message from " << std::string(ipstr) << ":" << ntohs(raddr.sin_port) << "---------" << std::endl;
        // 单字节传输不涉及到大端小端的存储情况
        std::cout << "name" << ":" << mssg->name << std::endl;
        std::cout << "math" << ":" << ntohs(mssg->math) << std::endl;
        std::cout << "chinese" << ":" << ntohs(mssg->chinese) << std::endl;
    }
    
    //关闭
    close(sd);
    exit(1);
}

vratdrh7771.rsv.ven.veritas.com [60]: ./snder 10.85.171.130 "hahhaahha"
vratdrh7771.rsv.ven.veritas.com [61]: ./snder 10.85.171.130 "44kkkkk"


vratdrh7771.rsv.ven.veritas.com [71]: ./rcver
---------recive message from 10.85.171.130:33261---------
name:hahhaahha
math:100
chinese:100
---------recive message from 10.85.171.130:36716---------
name:44kkkkkha
math:100
chinese:100

2.报式套接字的广播

在使用TCP/IP 协议的网络中，主机标识段host ID 为全1 的 IP 地址为广播地址。

广播数据有如下特点：

  • TCP/IP协议栈中，传输层只有UDP可以广播，TCP没有广播的概念
  • UDP广播不需要经过路由器转发，因为路由器不会转发广播数据

套接字机制提供了两个套接字选项接口来控制套接字行为。一个接口用来设置选项，另一个接口可以查询选项的状态。

GETSOCKOPT(2)                                          Linux Programmer's Manual                                         GETSOCKOPT(2)

NAME
       getsockopt, setsockopt - get and set options on sockets

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

       int getsockopt(int sockfd, int level, int optname,
                      void *optval, socklen_t *optlen);
       int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,
                      const void *optval, socklen_t optlen);

DESCRIPTION
       getsockopt()  and  setsockopt() manipulate options for the socket referred to by the file descriptor sockfd.  Options may exist
       at multiple protocol levels; they are always present at the uppermost socket level.
  • level： 标识了选项应用的协议。
    • 如果选项是通用的套接字层次选项，则 level 设置成SOL_SOCKET。否则，level设置成控制这个选项的协议编号
    • 对于TCP，level是IPPROTO_TCP
    • 对于IP，level是IPPROTO_IP
  • optname： 需设置的选项
  • optval：根据选项的不同指向一个数据结构或者一个整数。一些选项是on/off开关。如果整数非0，则启用选项。如果整数为0，则禁止选项。
  • optlen：指定了optval指向的对象的大小。

代码示例

snder.cpp：设置套接字，打开广播选项，并向广播地址255.255.255.255发送数据报

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

#include "proto.h"

int main() {
    int sd;
    msg_t sendmssg;
    struct sockaddr_in raddr;
    
    //创建socket
    sd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sd < 0) {
        perror("socker()");
        exit(1);
    }
    //本地绑定（可以省略）

    //设置套接字，打开广播
    //不同的层面封装了不同的属性，可以用man 7查看
    //man 7 socket 找 socket option
    //man 7 udp udp层可以改进的socket option
    //man 7 ip...
    //man 7 tcp
    int val = 1;
    if(setsockopt(sd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &val, sizeof(val)) < 0) {
        perror("setsockopt()");
        exit(1);
    }
    
    //填写发送消息
    memset(&sendmssg, '\0', sizeof(sendmssg));
    //strcpy(sendmssg.name, "tracy");
    memcpy(sendmssg.name, "tracy", sizeof("tracy"));
    sendmssg.chinese = ntohs(100);
    sendmssg.math = ntohs(100);
    
    //对端地址
    raddr.sin_family = AF_INET;
    raddr.sin_port = ntohs(RECVPORT);
    inet_pton(AF_INET, "255.255.255.255", &raddr.sin_addr);

    //发送
    if (sendto(sd, &sendmssg, sizeof(sendmssg), 0, (const sockaddr*)&raddr, sizeof(raddr)) < 0) {
        perror("sendto()");
        exit(1);
    }
    //关闭
    close(sd);
}

rcver.cpp：设置套接字，打开广播选项，如果不打开，可能收到，可能收不到

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

#include "proto.h"
#define IPSTRSIZE        64

int main() {
    // 套接字描述符
    int sd;
    
    // laddr 本机地址
    // raddr 对端地址
    sockaddr_in laddr, raddr;
    
    // 存储接收到的结构体
    msg_t mssg;

    // 存储对端地址，点分式
    char ipstr[IPSTRSIZE];
    
    // 创建socket，创建协议为ipv4的报式套接字，0为默认协议，即UDP
    sd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sd < 0) {
        perror("socker()");
        exit(1);
    }

    int val = 1;
    if(setsockopt(sd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &val, sizeof(val)) < 0) {
        perror("setsockopt()");
        exit(1);
    }

    // 填写本机的地址信息
    laddr.sin_family = AF_INET;
    // ip地址和网络端口号是要通过网络发送过去的,所以需要考虑字节序的问题,也就是htons
    laddr.sin_port = htons(RECVPORT);
    // 因为本机的ip地址有可能会变化,为了避免ip地址每一次变化,都要进来修改,所以给它匹配一个万能地址0.0.0.0
    // 对"0.0.0.0"的定义是any address.就是说在当前绑定阶段,本机的ip地址是多少,这四个0就会自动换成当前的ip地址.
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &laddr.sin_addr.s_addr);
    
    //绑定接收（本机）的ip地址和端口号
    if (bind(sd, (const sockaddr*)&laddr, sizeof(laddr)) < 0) {
        perror("sendto()");
        exit(1);
    }
    
    // 接收
    // ！！！！这里一定要初始化对端地址的大小！！！
    socklen_t addr_len = sizeof(raddr);
    while (1) {
        if (recvfrom(sd, (void*)&mssg, sizeof(mssg), 0, (sockaddr*)&raddr, &addr_len) < 0) {
            perror("recvfrom()");
            exit(1);
        }
        inet_ntop(AF_INET, &raddr.sin_addr, ipstr, IPSTRSIZE);
        std::cout << "---------recive message from " << std::string(ipstr) << ":" << ntohs(raddr.sin_port) << "---------" << std::endl;
        // 单字节传输不涉及到大端小端的存储情况
        std::cout << "name" << ":" << mssg.name << std::endl;
        std::cout << "math" << ":" << ntohs(mssg.math) << std::endl;
        std::cout << "chinese" << ":" << ntohs(mssg.chinese) << std::endl;
    }
    
    //关闭
    close(sd);
    exit(1);
}

proto.h

#ifndef __PROTO_H_
#define __PROTO_H_
#define RECVPORT 1986
#define NAMESIZE 11

struct msg_t
{
    //定长，不可能有负值
    uint8_t name[NAMESIZE];
    uint32_t chinese;
    uint32_t math;
}__attribute__((packed));

# endif

注意：如果仍然接收不到，可以查看防火墙

vratdrh7771.rsv.ven.veritas.com [70]: ./rcver
---------recive message from 10.85.171.130:43497---------
name:tracy
math:100
chinese:100

3.报式套接字的多播

多播地址，也叫组播地址，组播报文的目的地址使用D类IP地址， D类地址不能出现在IP报文的源IP地址字段。组播地址可以分为四类：

  • 224.0.0.0～224.0.0.255为预留的组播地址（永久组地址），地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由协议使用；
  • 224.0.1.0～224.0.1.255是公用组播地址，可以用于Internet；
  • 224.0.2.0～238.255.255.255为用户可用的组播地址（临时组地址），全网范围内有效；
  • 239.0.0.0～239.255.255.255为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效。

代码示例

proto.h：设置一个约定的多播地址

#ifndef __PROTO_H_
#define __PROTO_H_

#define MGROUP   "224.2.2.2"
#define RECVPORT 1986
#define NAMESIZE 11

struct msg_t
{
    //定长，不可能有负值
    uint8_t name[NAMESIZE];
    uint32_t chinese;
    uint32_t math;
}__attribute__((packed));

# endif

snder.c：创建多播组

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <net/if.h>

#include "proto.h"

int main(int argc, char **argv) {
    int sd;
    msg_t sendmssg;
    struct sockaddr_in raddr;
    
    if (argc < 2) {
        perror("uasge()");
        exit(1);
    }

    //创建socket
    sd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sd < 0) {
        perror("socker()");
        exit(1);
    }
    //设置套接字，创建多播组
    //man 7 ip
    ip_mreqn mreq;
    //multicast group address
    inet_pton(AF_INET, MGROUP, &mreq.imr_multiaddr);
    //local本机address
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &mreq.imr_address);
    //网络索引号
    mreq.imr_ifindex = if_nametoindex("ens192");
    //设置套接字，创建多播组
    if(setsockopt(sd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF, &mreq, sizeof(mreq)) < 0) {
        perror("setsockopt()");
        exit(1);
    }
    
    //填写发送消息
    memset(&sendmssg, '\0', sizeof(sendmssg));
    //strcpy(sendmssg.name, "tracy");
    memcpy(sendmssg.name, argv[1], sizeof(argv[1]) + 1);
    sendmssg.chinese = ntohs(100);
    sendmssg.math = ntohs(100);
    
    //对端地址
    raddr.sin_family = AF_INET;
    raddr.sin_port = ntohs(RECVPORT);
    inet_pton(AF_INET, MGROUP, &raddr.sin_addr);

    //发送
    if (sendto(sd, &sendmssg, sizeof(sendmssg), 0, (const sockaddr*)&raddr, sizeof(raddr)) < 0) {
        perror("sendto()");
        exit(1);
    }
    //关闭
    close(sd);
}

其中，可以使用命令查看网络设备的索引号：

ip ad sh

如下，1、2为索引号，lo, ens192为设备名

vratdrh7771.rsv.ven.veritas.com [60]: ip ad sh
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> .....
........
2: ens192: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> ..... 
........

或者可以通过下列函数来获取网络设备名的索引编号：

#include <net/if.h>
unsigned int if_nametoindex(const char *ifname);

rcver.cpp：加入多播组

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <net/if.h>

#include "proto.h"
#define IPSTRSIZE        64

int main() {
    // 套接字描述符
    int sd;
    
    // laddr 本机地址
    // raddr 对端地址
    sockaddr_in laddr, raddr;
    
    // 存储接收到的结构体
    msg_t mssg;

    // 存储对端地址，点分式
    char ipstr[IPSTRSIZE];
    
    // 创建socket，创建协议为ipv4的报式套接字，0为默认协议，即UDP
    sd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sd < 0) {
        perror("socker()");
        exit(1);
    }

    //加入多播组
    ip_mreqn mreq;
    inet_pton(AF_INET, MGROUP, &mreq.imr_multiaddr);
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &mreq.imr_address);
    mreq.imr_ifindex = if_nametoindex("ens192");

    if(setsockopt(sd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0) {
        perror("setsockopt()");
        exit(1);
    }

    // 填写本机的地址信息
    laddr.sin_family = AF_INET;
    // ip地址和网络端口号是要通过网络发送过去的,所以需要考虑字节序的问题,也就是htons
    laddr.sin_port = htons(RECVPORT);
    // 因为本机的ip地址有可能会变化,为了避免ip地址每一次变化,都要进来修改,所以给它匹配一个万能地址0.0.0.0
    // 对"0.0.0.0"的定义是any address.就是说在当前绑定阶段,本机的ip地址是多少,这四个0就会自动换成当前的ip地址.
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &laddr.sin_addr.s_addr);
    
    //绑定接收（本机）的ip地址和端口号
    if (bind(sd, (const sockaddr*)&laddr, sizeof(laddr)) < 0) {
        perror("sendto()");
        exit(1);
    }

    // 接收
    // ！！！！这里一定要初始化对端地址的大小！！！
    socklen_t addr_len = sizeof(raddr);
    while (1) {
        if (recvfrom(sd, (void*)&mssg, sizeof(mssg), 0, (sockaddr*)&raddr, &addr_len) < 0) {
            perror("recvfrom()");
            exit(1);
        }
        inet_ntop(AF_INET, &raddr.sin_addr, ipstr, IPSTRSIZE);
        std::cout << "---------recive message from " << std::string(ipstr) << ":" << ntohs(raddr.sin_port) << "---------" << std::endl;
        // 单字节传输不涉及到大端小端的存储情况
        std::cout << "name" << ":" << mssg.name << std::endl;
        std::cout << "math" << ":" << ntohs(mssg.math) << std::endl;
        std::cout << "chinese" << ":" << ntohs(mssg.chinese) << std::endl;
    }
    
    //关闭
    close(sd);
    exit(1);
}

运行结果

vratdrh7771.rsv.ven.veritas.com [109]: ./rcver
---------recive message from 10.85.171.130:48514---------
name:mike
math:100
chinese:100
---------recive message from 10.85.171.130:39871---------
name:hahah
math:100
chinese:100

多播中有一个特殊的 ip 地址（224.0.0.1），它表示，所有支持多播的地址默认都存在这个组当中，并且无法离开。如果 snder 方向这个 ip 地址发送信息，就相当于向 255.255.255.255 上发消息。

4.UDP协议分析

4.1.丢包原因

UDP丢包并不是因为TTL，TTL是当前包的要跳转的路由的个数，linux环境下一般默认为64，Windows一般为128，一般情况下完全足够。丢包其实是由于阻塞造成的。路由有等待队列，并不是我的数据包从本路由到下一个路由是无条件发送的，而是有等待队列，这个等待队列会有丢包的算法实现。比如当前队列已经排列百分之N的容量时，就会随机的丢包等操作。
解决：闭环流控(停等式流控)

4.2.停等式流量控制

问题1 发送端发送后，接收端返回ACK，发送端会在一段时间后才能收到消息
在这里插入图片描述
问题2：发送端发送消息后丢包了，在一定时间（RTT）后没有收到接收端ACK，则重新发送消息
在这里插入图片描述
问题3：发送端发送消息后，接收端收到了数据，并且发送了ACK，但是ACK数据丢了，在一定时间后没有收到接收端ACK，则重新发送消息。接收端如何判断收到的包已经收到过了(data包加编号)，则直接放弃该包，直接回复ACK。
在这里插入图片描述
问题4：如图 d2 丢包，ACK1 延迟回复给了发送端，则发送端认为d2发送成功，继续发d3，实际接受端是没有收到过d2的。所以ACK也要加编号，否则就可能出现这类问题。
在这里插入图片描述

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