Linux套接字通信

代码源码：https://github.com/say-Hai/TcpSocketLearn/tree/CThreadSocket

在网络通信的时候, 程序猿需要负责的应用层数据的处理(最上层)，而底层的数据封装与解封装（如TCP/IP协议栈的功能）通常由操作系统、网络协议栈或相关网络库（如Socket库）实现。（程序员只需要调用对应的API接口）

什么是Socket编程？

Socket套接字目的是将TCP/IP协议相关软件移植到UNIX类系统中。设计者开发了一个接口，以便应用程序能简单地调用该接口通信，这个接口不断完善，最终形成了Socket套接字。

简单来说：套接字对应程序猿来说就是一套网络通信的接口，使用这套接口就可以完成网络通信。

一、字节序：大端与小端

• 小端：主机字节序

  • 低位字节存储到内存的低位地址
  • PC机的数据存储默认小端
  • 

• 大端：网络字节序

  • 低位字节存储到内存的高位地址
  • 套接字通信过程中操作的数据都是大端存储的，包括：接收/发送的数据、IP地址、端口
  • 

• 主机字节序与网络字节序的转换函数

  • #include <arpa/inet.h>
    // h: host, 主机字节序
    // n: net, 网络字节序
    // s:short（port） 
    // l:long（IP）
    
    // 这套api主要用于 网络通信过程中 IP 和 端口 的 转换
    // 将一个短整形从主机字节序 -> 网络字节序
    uint16_t htons(uint16_t hostshort);
    serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);//举例：将端口号主机字节序转成网络字节序
    
    // 将一个整形从主机字节序 -> 网络字节序
    uint32_t htonl(uint32_t hostlong);	
    
    // 将一个短整形从网络字节序 -> 主机字节序
    uint16_t ntohs(uint16_t netshort)
    // 将一个整形从网络字节序 -> 主机字节序
    uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
    

二、IP地址转换

IP地址本质是一个整形数，但是在使用的过程中都是通过一个字符串来描述，下面的函数描述了如何将一个字符串类型的IP地址进行大小端转换：

//IP地址转换函数（点分十进制（字符串）→ 网络二进制）
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
/*
		af：AF_INET、AF_INET6
		src：传入参数，IP地址（点分十进制）
		dst：传出参数，转换后的 网络字节序的 IP地址。 
		返回值：转换是否成功
*/

//网络字节序→String
const char *inet_ntop(int af, const void *src,
                             char *dst, socklen_t size);
/*
		af：AF_INET、AF_INET6
		src: 传入参数，网络字节序IP地址
		dst：传出参数，主机字节序（string IP）
		size： dst 的大小。
		返回值：指向dst的指针，含格式化后的字符串形式 IP 地址。
*/
//仅限处理IPv4
// 点分十进制IP -> 大端整形
in_addr_t inet_addr (const char *cp);
// 大端整形 -> 点分十进制IP
char* inet_ntoa(struct in_addr in);

三、sockaddr 数据结构

//sockaddr的地址结构  man手册：man 7 ip
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 */
};

四、套接字相关函数

socket函数：

创建套接字

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);
/*
domain： 使用的地址族协议AF_INET、AF_INET6
type：SOCK_STREAM流式传输协议、SOCK_DGRAM报文传输协议
protocol: 一般写0即可, 使用默认的协议
返回值：新套接字所对应文件描述符
*/

bind函数：

给socket绑定地址结构

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                socklen_t addrlen);
/*
sockfd: socket文件描述符，socket()的返回值
addr: 传入的地址结构（包括IP和端口号）
			(struct sockaddr *)&addr struct sockaddr_in addr;
			addr.sin_family = AF_INET;
			addr.sin_port = htons(8888);
			addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addrlen: sizeof(addr) 地址结构的大小。
*/

listen函数：

设置同时与服务器建立连接的上限数

 int listen(int sockfd, int backlog);
/*
sockfd: socket文件描述符，socket()的返回值
backlog: 上限连接数，max = 128
*/

★accept函数：

阻塞等待客户端建立连接，返回一个与客户端成功连接的socket文件描述符（一个新的用于通信的文件描述符）

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
/*
sockfd: 监听的文件描述符，socket()的返回值
addr：传出参数, 存储了建立连接的客户端的地址信息
addrlen： 传入传出参数，存储addr指向的内存大小
返回值：返回能与客户端进行数据通信的 socket 对应的文件描述。
*/

1. accept函数被调用时，它会阻塞程序的执行，直到有客户端连接请求到达。
2. 当有客户端连接请求到达时，accept函数会接受连接请求，并创建一个新的套接字用于与客户端通信。这个新的套接字是一个专门用于与该客户端进行通信的套接字，而原始的服务器套接字仍然保持在监听状态以接受其他连接请求。
3. 如果提供了非空的addr参数，accept函数将会填充客户端的地址信息，包括IP地址和端口号。
4. accept函数返回新创建的套接字的文件描述符。通过该文件描述符，服务器可以与客户端进行通信，发送和接收数据。

connect函数：

客户端socket与服务器建立连接。成功连接服务器之后, 客户端会自动随机绑定一个端口

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
/*
sockfd: socket文件描述符，socket()函数返回值
addr：要连接的服务器的地址结构(客户端通常无法自己指定端口号，由操作系统动态分配)			
	struct sockaddr_in srv_addr;		// 服务器地址结构
	srv_addr.sin_family = AF_INET;
	srv_addr.sin_port = 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);
addrlen：服务器的地址结构的大小
*/

write/send函数：

向已建立链接的Socket的写缓冲区中写入数据

#include  <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t send(int fd, const void *buf, size_t len, int flags);
/*
	fd：         用于通信的文件描述符， accept() 函数的返回值
    buf：      存放要写入的数据的缓冲区首地址
    count：   想要写入的字节数
    len: 要发送的字符串的长度
    flags: 特殊的属性, 一般不使用, 指定为 0
    返回值：实际发送的字节数
*/

read/recv函数：

从一个已建立连接的 Socket 读缓冲区中读取数据

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t recv(int fd, void *buf, size_t size, int flags);
/*
	fd：			用于通信的文件描述符，accept() 函数的返回值
    buf：      	一个指向内存区域的指针，用于存储读取到的数据
    count：   	指定最多读取的字节数，即缓冲区大小。
    size: 参数buf指向的内存的容量
	flags: 特殊的属性, 一般不使用, 指定为 0
	返回值：实际发送的字节数 = 0，代表连接断开；= -1 接收数据失败
*/

⭐五、TCP通信流程

TCP面向连接、安全、流式传输。传输层协议

• 面向连接：是一个双向连接，通过三次握手完成，断开连接需要通过四次挥手完成。
• 安全：tcp通信过程中，会对发送的每一数据包都会进行校验, 如果发现数据丢失, 会自动重传
• 流式传输：发送端和接收端处理数据的速度，数据的量都可以不一致

TCP通信流程图：

5.1 服务端文件描述符种类

在tcp的服务器端, 有两类文件描述符（客户端只有通信的文件描述符）

监听的文件描述符 lfd

• 只需要有一个
• 不负责和客户端通信, 负责检测客户端的连接请求, 检测到之后调用accept就可以建立新的连接

通信的文件描述符 cfd

• 负责和建立连接的客户端通信
• 如果有N个客户端和服务器建立了新的连接, 通信的文件描述符就有N个，每个客户端和服务器都对应一个通信的文件描述符

⭐⭐⭐5.2 文件描述符的内存结构

强烈建议结合视频观看

文件描述符对应的内存结构：

• 一个文件文件描述符对应两块内存, 一块内存是读缓冲区, 一块内存是写缓冲区

  • 注意：read/wirte函数并不是将数据直接发送/读取到网络流中，而是通过两个缓冲区进行操作，然后再由操作系统的内核来将缓冲区的数据发送到网络流中。

• 读数据: 通过文件描述符将内存中的数据读出, 这块内存称之为读缓冲区

• 写数据: 通过文件描述符将数据写入到内存中, 这块内存称之为写缓冲区

  

监听的文件描述符:

• 客户端的连接请求会发送到服务器端监听的文件描述符的读缓冲区中
• 读缓冲区中有数据, 说明有新的客户端连接
• 调用accept()函数, 这个函数会检测监听文件描述符的读缓冲区
  • 检测不到数据, 该函数阻塞
  • 如果检测到数据, 解除阻塞, 新的连接建立

通信的文件描述符:

• 客户端和服务器端都有通信的文件描述符
• 发送数据：调用函数 write() / send()，数据进入到内核中
  • 数据并没有被发送出去, 而是将数据写入到了通信的文件描述符对应的写缓冲区中
  • 内核检测到通信的文件描述符写缓冲区中有数据, 内核会将数据发送到网络中
• 接收数据: 调用的函数 read() / recv(), 从内核读数据
  • 数据如何进入到内核程序猿不需要处理, 数据进入到通信的文件描述符的读缓冲区中
  • 数据进入到内核, 必须使用通信的文件描述符, 将数据从读缓冲区中读出即可

int main(int argc, char* argv[]) {

    struct sockaddr_in serv_addr, clit_addr;
    socklen_t clit_addr_len;
//初始化服务器IP地址和端口号
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
//socket
    lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
//bind
    bind(lfd, (const struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
//listen
    listen(lfd, 128);
    clit_addr_len = sizeof(clit_addr);
//accept：阻塞等待连接，当连接成功时，客户端的地址结构会填入clit_addr
    cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&clit_addr, &clit_addr_len);
//TCP通信已建立，处理逻辑省略
    close(lfd);
    close(cfd);
}

5.3 客户端通信流程

只有一个用于通信的套接字cfd

int main(int argc, char *argv[])
{
    int cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in serv_addr;
    serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr.s_addr);
    int ret = connect(cfd, (const struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
//通信已建立，自行处理数据逻辑
    close(cfd);
    return 0;
}

参考文献

爱编程的大丙：B站同名视频