计算机网络套接字知识（非常详细）从零基础入门到精通

news2024/11/26 8:44:13

本节重点

认识IP地址, 端口号, 网络字节序等网络编程中的基本概念;
学习socket api的基本用法;

一、预备知识

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，此时就需要我们的目的IP地址。

2.认识端口号

在进行网络通信的时候，是不是我们的两台机器在进行通信呢?本质是应用层在通信

几乎任何层的协议，都要在报头中提供，决定将自己的有效载荷交付给上层的哪一个协议的能力，怎么做到的呢？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.

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。

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"。

socket通信本质上就是两个进程之间在进行通信，只不过这里是跨网络的进程间通信。比如看QQ和刷抖音的动作，实际就是手机上的QQ进程和抖音进程在和对端服务器主机上的QQ服务进程和抖音服务进程之间在进行通信。因此进程间通信的方式除了管道、消息队列、信号量、共享内存等方式外，还有套接字，只不过前者是不跨网络的，而后者是跨网络的。

⭐理解socket这个名字

socket在英文上有“插座”的意思，插座上有不同规格的插孔，我们将插头插入到对应的插孔当中就能够实现电流的传输。在进行网络通信时，客户端就相当于插头，服务端就相当于一个插座，但服务端上可能会有多个不同的服务进程（多个插孔），因此当我们在访问服务时需要指明服务进程的端口号（对应规格的插孔），才能享受对应服务进程的服务。

5.认识TCP协议和UDP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

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

TCP协议是一种可靠的传输协议，使用TCP协议能够在一定程度上保证数据传输时的可靠性，而UDP协议是一种不可靠的传输协议，UDP协议的存在有什么意义？

首先，可靠是需要我们做更多的工作的，TCP协议虽然是一种可靠的传输协议，但这一定意味着TCP协议在底层需要做更多的工作，因此TCP协议底层的实现是比较复杂的，我们不能只看到TCP协议面向连接可靠这一个特点，我们也要能看到TCP协议对应的缺点。同样的，UDP协议虽然是一种不可靠的传输协议，但这一定意味着UDP协议在底层不需要做过多的工作，因此UDP协议底层的实现一定比TCP协议要简单，UDP协议虽然不可靠，但是它能够快速的将数据发送给对方，虽然在数据在传输的过程中可能会出错。

6.网络字节序

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规定的网络字节序数将数据据;来发送/接收
如果当前发送主机是小端, 就需要先转成大端; 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。

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

二、socket编程接口

1.socket 常见API

// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);

// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器) 
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,
 socklen_t address_len);

// 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);

// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,
 socklen_t* address_len);

// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
 socklen_t addrlen);

2.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 Domain Socket. 然而, 各种网络协议的地址格式并不相同.

为什么没有用void*代替struct sockaddr*类型？

我们可以将这些函数的struct sockaddr*参数类型改为void*，此时在函数内部也可以直接指定提取头部的16个比特位进行识别，最终也能够判断是需要进行网络通信还是本地通信，那为什么还要设计出sockaddr这样的结构呢？实际在设计这一套网络接口的时候C语言还不支持void*，于是就设计出了sockaddr这样的解决方案。并且在C语言支持了void*之后也没有将它改回来，因为这些接口是系统接口，系统接口是所有上层软件接口的基石，系统接口是不能轻易更改的，否则引发的后果是不可想的，这也就是为什么现在依旧保留sockaddr结构的原因。

Pv4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;

⭐sockaddr 结构