套接字+网络套接字函数+客户端大小写程序

news2025/1/11 0:39:41

NAT映射

一般来说：源主机和目的主机都属于局域网，也就是ip地址可能相同

但是：路由器一般是公网ip,即整个网络环境可见

每一个路由器会维护一个NAT映射表

  • 路由器的ip一般是固定的公网ip
  • 路由器与把与它相连的主机：私有ip+端口号映射成路由器ip+端口号

此时再进行数据传输时：会用映射后的ip作为源地址，也就是保护了私有ip

打洞机制

首先进行通信的进程，需要经过路由器到达提供服务的服务器，然后服务器进行拆包后，帮助完成一次转发，再经过多跳路由器后，将信息传递给目的ip

也就是传输的数据包必须途径服务器

由于路由器具有保护机制-----第一次给路由器发送数据包的ip，会被路由器丢弃或屏蔽（防止恶意攻击）

所以，相互通信的ip，要被路由器识别为熟悉的ip才可以直接通信

  • 主机和提供服务的服务器之间是可以直接通信的
  • 所以服务器在请求服务时候，会在两台想建立通信的主机之间，把其相连的路由器标记为熟悉
  • 这样服务器通过打洞机制就相当于在两台主机间建立了通路

几种访问机制（注意不是局域网(内网)之间）

  1. 公网ip和公网ip之间进行通信，直接访问
  2. 公网ip和私网ip之间进行通信，路由器要将私网ip进行NAT映射后，进行通信
  3. 私网ip和私网ip之间进行通信，公有服务器对相连服路由器进行打洞机制，然后通信

套接字

  • Socket本身有“插座”的意思
  • 在Linux环境下，用于表示进程间网络通信的特殊文件类型
  • 本质为内核借助缓冲区形成的伪文件

注意socket一定有两端,成对出现：

数据发送端和数据接收端

就像插电，既要有插头有要求插排

IP地址：在网络环境中，唯一标识一台主机

端口号：主机中唯一标识一个进程

IP+port:在网络环境中，唯一标识一个进程，把这个叫成socket

管道

管道一定有两端，一端只能读，一端只能写，每端分别用一个文件描述符指向

数据只能从写段流入，从读端流出

socket

每次创建一个socket，都有一个文件描述符指向，但是这一个文件描述符由两个缓冲区指向

一个缓冲区用于读数据，一个缓冲区用于写数据，也就是全双工

两个socket是通过ip+port进行连接的

网络字节序

字节序：

  • 也就是字节序

  • 如果数据大于一个字节，在内存中存放是有顺序的

    一般有两种：

    • 小端字节序：将低位字节序存储在低位
    • 大端字节序：将高位字节序存储在低位

其中：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

但是，主机中采取的小端字节序

小端存，大端传，所以需要字节序的转换

假设内存：1000 1001 1002 1003 1004

现在的变量：int a=0x12345678（注意位次，←依次升高）

  • 如果采用小端法存储（低位存低，高位存高）

    12是高位存1004，依次：34存1003.。。。。

  • 如果大端就是反过来（78存1004）

网络字节序和主机字节序的转换

#include <arpa/inet.h>
//host to network
//long转IP地址；short转端口号
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
//network to host
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

使用

#include<arpa/inet.h>
int main(){
    int a=0x01020304;
    short int b=0x0102;
    //long转IP地址；short转端口号
    //uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
    //uint16_t htons(uint16_t hostshort);
    printf("htonl(0x%08x)=0x%08x\n",a,htonl(a));
    //08表示输出8位，x表示16进制
    printf("htons(0x%08x)=0x%08x\n",b,htonl(b));
    return 0;
}

guojiawei@ubantu-gjw:~/Desktop$ gcc mm.c
guojiawei@ubantu-gjw:~/Desktop$ ./a.out 
htonl(0x01020304)=0x04030201
htons(0x00000102)=0x02010000

ip地址转换

#include <arpa/inet.h>
//ip(点分十进制) to net（网络字节序）
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
/*
af版本号---只有：AF_INET 和 AF_INET6 两种
src---点分十进制的数值
dst----转换后的整数的地址
*/

#include <arpa/inet.h>
//net to ip(字符串)
const char *inet_ntop(int af, const void *src,  char *dst, socklen_t size);
//dst----点分十进制数串
//size---缓存区的大小

实现：

#include<stdio.h>
#include<arpa/inet.h>
int main(){
    char ip_str[]="172.20.226.11";
    unsigned int ip_uint=0;
    inet_pton(AF_INET,ip_str,&ip_uint);//注意是地址
    printf("ip_uint=%d\n",ip_uint);
    unsigned char* ip_p=NULL;
    ip_p=(unsigned char*)&ip_uint;
    printf("ip_uint=%d.%d.%d.%d\n",*ip_p,*(ip_p+1),\
                          *(ip_p+2),*(ip_p+3) );
    return 0;
} 

#include<stdio.h>
#include<arpa/inet.h>
int main(){
    char ip_str[16]={0};
    unsigned char ip[]={172,20,223,75};
    inet_ntop(AF_INET,(unsigned int*)ip,ip_str,16);
    printf("ip_str=%s\n",ip_str);
    return 0;
} 
//ip_str=172.20.223.75

套接字地址数据结构

sockaddr结构体-----用于描述IPv4协议的地址结构

  • struct sockaddr由于不细致，现在已经不能用了
  • 可是基于sockaddr细分的sockaddr_in无法直接作为socket的网络API的参数，所以需要强制类型转换
struct sockaddr {
               sa_family_t  sa_family;
                      char  sa_data[14];}

struct sockaddr_in {
     sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
     in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
     struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};
//man 7 ip
/* Internet address. */
struct in_addr {
               uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */};
//由于历史遗留，只有一个成员，每次需要.使用

struct sockaddr_in {
	__kernel_sa_family_t sin_family; 			/* Address family */  	地址结构类型
	__be16 sin_port;					 		/* Port number */		端口号
	struct in_addr sin_addr;					/* Internet address */	IP地址
	/* Pad to size of `struct sockaddr'. */
	unsigned char __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -
	sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
};//详细

使用：

struct sockaddr_in addr;

addr.sin_family=AF_INET//AF_INET6
addr.sin_port=htonl//ntohs
addr.sin_addr.s_addr=htol;ntosl;inet_ptonl;inrt_ntop;

网络套接字函数

socket()

 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
 #include <sys/socket.h>
/*domain:
	AF_INET 这是大多数用来产生socket的协议，使用TCP或UDP来传输，用IPv4的地址
	AF_INET6 与上面类似，不过是来用IPv6的地址
	AF_UNIX 本地协议，使用在Unix和Linux系统上，一般都是当客户端和服务器在同一台及其上的时候使用
*/
/*type:
       1:SOCK_STREAM 这个协议是按照顺序的、可靠的、数据完整的基于字节流的连接。这是一个使用最多的socket类型，这个socket是使用TCP来进行传输。
       2:SOCK_DGRAM 这个协议是无连接的、固定长度的传输调用。该协议是不可靠的，使用UDP来进行它的连接。
       3:SOCK_RAW socket类型提供单一的网络访问，这个socket类型使用ICMP公共协议。（ping、traceroute使用该协议）
*/
/*protocol:
	传0 表示使用默认协议,系统自动选择
	IPPROTO_TCP;IPPROTO_UDP 指定传输tcp或者udp
*/
 int socket(int domain, int type, int protocol);
//成功：返回指向新创建的socket的文件描述符，失败：返回-1，设置errno

使用

#include <sys/types.h>         
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
    int socketFd=0;
    //创建：使用IPV4地址协议的TCP流式套接字
    socketFd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(socketFd==-1){
        perror("socket()");
        exit(-1);
    }
    else{
        printf("socket has created successfully\n");
    }
    return 0;
}

bind()

 #include <sys/types.h>         
 #include <sys/socket.h>
/*
     sockfd：  socket文件描述符
     addr:     构造出IP地址加端口号
     addrlen:  sizeof(addr)长度
*/
  int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,\
                        socklen_t addrlen);
//返回值：0表示成功；-1表示失败

bind就是绑定，往套接字上绑定ip和端口号

由于传指针的地址，还得加上大小

#include <sys/types.h>         
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
int main(){
    int socketFd=0;
    //创建：使用IPV4地址协议的TCP流式套接字
    socketFd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    /*struct sockaddr_in {
           sa_family_t    sin_family; 
           in_port_t      sin_port; 
           struct in_addr sin_addr;  
                 struct in_addr { uint32_t  s_addr;}
    };*/
    struct sockaddr_in my_addr;
    //bzero函数是c++ string.h中的函数。
    //描述：置字节字符串前n个字节为零且包括‘\0’
    bzero(&my_addr,sizeof(my_addr));
    my_addr.sin_family=AF_INET;
    unsigned short port=8000;
    my_addr.sin_port=htons(port);//hton:转换成网络字节序
    my_addr.sin_addr.s_addr=htons(INADDR_ANY);
    int res_bind=bind(socketFd,(struct sockaddr*)&my_addr,sizeof(my_addr));
    printf("res=%d\n",res_bind);
    return 0;
}

listen()

 #include <sys/types.h>       
 #include <sys/socket.h>
/*backlog:
	排队建立3次握手队列和刚刚建立3次握手队列的链接数和
	也就是内核为此套接字建立的最大连接数（同时允许多少个用户端建立连接）
*/
 int listen(int sockfd, int backlog);

listen()仅被TCP通信服务器程序调用，实现监听服务

  • backlog—注意不是指定连接上限数，而是可以建立连接的

accept()

 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
 #include <sys/socket.h>
/*
   addr:
	传出参数，返回链接客户端地址信息，含IP地址和端口号
   addrlen:
	传入传出参数（值-结果）,传入sizeof(addr)大小，函数返回时返回真正接收到地址结构体的大小
*/
 int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
//成功返回一个新的socket文件描述符，用于和客户端通信，失败返回-1，设置errno

三方握手完成后，服务器调用accept()接受连接，如果服务器调用accept()时还没有客户端的连接请求，就阻塞等待直到有客户端连接上来

socklen_t *addrlen:

the caller must initialize it to contain the size (in bytes) of the structure pointed to by addr; on return it will contain the actual size of the peer address.

connect()

 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
 #include <sys/socket.h>
/*
   addr:
	传入参数，指定服务器端地址信息，含IP地址和端口号
   addrlen:
	传入参数,传入sizeof(addr)大小
*/
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,\
                   socklen_t addrlen);
//成功返回0，失败返回-1，设置errno

客户端需要调用connect()连接服务器，connect和bind的参数形式一致，区别在于bind的参数是自己的地址，而connect的参数是对方的地址。

socket套接字流程图

比较典型的流程图

实现功能：客户端给服务器发送小写字母，服务器接收后转换成大写字母回传给客户端，然后客户端把内容显示到屏幕上

服务器端：

  • socket创建一个网络套接字
  • bind函数绑定ip地址和端口号（struct sockaddr_in）
  • listen函数来限定同时发起服务器连接的数量
  • accept含有阻塞功能，直到收到了用户的消息才连接

客户端：

  • socket必须绑定ip和端口号才能访问
  • 但是不用bind，会被自动分配，但是服务器端不可以自动分配，客户端无所谓
  • connect进行连接：连接服务器的ip和端口号

客户端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>         
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>//大小写转换
#define SERV_PORT 6667//端口号
int main(void){
    int sfd;
    /*定义accept的客户端的参数*/
    int cfd; 
    char buf[100]={0};
    struct sockaddr_in cline_addr;
    socklen_t clin_addr_len;
    //sockaddr_in结构体定义在头文件：<arpa/inet.h>
    struct sockaddr_in serv_addr;
    sfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    /*定义结构体*/
    serv_addr.sin_family=AF_INET;
    //大小端问题：需要hton l是ip;s是端口号
    serv_addr.sin_port=htons(SERV_PORT);
    /*简单方法--------htonl(INADDR_ANY)*/
    serv_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    bind(sfd,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr));
    /*listen*/
    listen(sfd,32);//最大上限28个客户端
    /*accept---接收一个文件描述符作为参数，最后返回一个文件描述符*/
    clin_addr_len=sizeof(cline_addr);//注意第三个参数：&
    cfd=accept(sfd,(struct sockaddr*)&cline_addr,&clin_addr_len);
    /*连接后：开始读数据*/
    int n=read(cfd,buf,sizeof(buf));//从用户端读
    int i;
    for(i=0;i<n;i++){
        /*小写变大写*/
        buf[i]=toupper(buf[i]);
    }
    write(cfd,buf,n);//写回给数据，别用sizeof
    close(sfd);
    close(cfd);
    return 0;
}

模拟客户端与服务端的通信

//模拟客户端
$ nc -l 端口号

//模拟服务端
$ nc ip地址  端口号

程序运行结果

hello world
HELLO WORLD

--------通信前提是等待，不能一下子就结束

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