【Linux 网络编程 】

news2024/11/30 8:32:26

Linux 网络编程

  • 背景知识：
    • 主机字节序列和网络字节序列
    • IP地址的转换
  • API
    • 网络编程接口
    • 网络节序与主机节序转换函数
    • IP地址转换函数
    • 数据读写
  • TCP编程
    • 编程步骤：
    • 客户端链接服务端成功的条件
    • 多线程实现服务端并发
    • 多进程实现服务端并发
    • 注意：
  • UDP编程
    • 编程步骤
    • 实现
  • netstat
    • netstat -natp
    • netstat -naup

背景知识：

  • ipv4地址：32位 网络号+ 主机号
  • ipv6地址：128位
  • 端口号： short类型 应用程序的一个代号

当我们进行网络编程的时候，只需要关注于对方进程的ip地址和端口号（0-1024为知名端口，用户不能随便使用，1024-4096为保留端口，用户也不能随便使用，端口号必须4096以上才可以用）就可以了。

主机字节序列和网络字节序列

主机字节序列分为大端节序和小端节序，不同的主机采用的节序不同。

大端节序：高位字节存放在地址的低地址处。
小端节序：高位字节存放在地址的高地址处。
当两个字节节序不同的主机进行通信时，这样会产生冲突。
所以就有了网络字节序列。
网络字节序列规定使用整形数据时使用大端节序来传输。

IP地址的转换

人们习惯用点分十进制字符串表示 IPV4地址，但编程中我们需要先把它们转化。

API

网络编程接口

int socket(int domain, int type, int protocol);创建套接字
返回值：成功返回套接字的文件描述符，失败返回-1
domain:设置套接字的协议簇,AF_UNIX AF_INET AF_INET6
type:设置套接字的服务类型 SOCK_STREAM SOCK_DGRAM
protocol:一般设置为0，表示使用默认协议

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);将 sockfd 与一个socket地址绑定。
返回值：成功返回0，失败返回-1
sockfd：是网络套接字描述符
addr：地址结构
addrlen： socket 地址的长度

int listen(int sockfd, int backlog);创建一个监听队列以存储待处理的客户连接。
返回值；成功返回0，失败返回-1
sockfd：被监听的socket套接字
backlog：表示处于完全连接状态的 socket的上限

int accept(int sockfd, struct sockaddr*addr, socklen_t *addrlen);accept()从 listen 监听队列中接收一个连接，成功返回一个新的连接socket,该socket 唯一地标识了被接收的这个连接，失败返回-1
sockfd：是执行过 listen系统调用的监听socket
addr：用来获取被接受连接的远端socket地址
addrlen：该socket地址的长度

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);客户端需要通过此系统调用来主动与服务器建立连接，
返回值：成功返回0，失败返回-1
sockfd：由socket返回的一个socket。
serv_addr：服务器监听的socket地址
addrlen：这个地址的长度

int close(int sockfd);关闭一个连接,实际上就是关闭该连接对应的socket。

网络节序与主机节序转换函数

#include<netinet/in.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);长整型的主机字节序转网络字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);长整型的网络字节序转主机字节序
uint16_t htons(uint16_t hostshort);短整形的主机字节序转网络字节序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);短整型的网络字节序转主机字节序

IP地址转换函数

#include <arpa/inct.h>
in_addr_t inet_addr(const char *cp);字符串表示的IPV4地址转化为网络字节序
char* inet_ntoa(struct in_addr in);/IPV4地址的网络字节序转化为字符串

数据读写

TCP数据读写

ssize_t recv(int sockfd, void *buff, size_t len, int flags);读取sockfd上的数据，buff和 len参数分别指定读缓冲区的位置和大小
ssize_t scnd(int sockfd, const void *buff, size_t len, int flags);往socket上写入数据，buff和len参数分别指定写缓冲区的位置和数据长度flags参数为数据收发提供了额外的控制

UDP数据读写

ssize_t recvfrom(int sockfd, void  * buff, size_t len, int flags,struct sockaddr* src_addr, socklen_t * addrlcn);读取 sockfd上的数据，buff和len参数分别指定读缓冲区的位置和大小，src_addr记录发送端的socket地址addrlen指定该地址的长度
ssize_t sendto(int sockfd, void * buff, size_t len, int flags,struct sockaddr * dest_addr, socklen_t addrlcn);往socket上写入数据，buff和 len参数分别指定写缓冲区的位置和数据长度dest_addr指定接收数据端的 socket地址addrlen指定该地址的长度

TCP编程

编程步骤：

1.服务端

 1. socket()
 2. bind()
 3. listen()backlog的最大值不能超过128，它的值加1则是全连接队列的大小。非阻塞函数
 4. accept()是不是阻塞取决于socket是阻塞还是非阻塞模式，一般默认创建的是阻塞模式。
 5. recv() 是不是阻塞取决于socket是阻塞还是非阻塞模式，一般默认创建的是阻塞模式。
 6. send()是不是阻塞取决于socket是阻塞还是非阻塞模式，一般默认创建的是阻塞模式。
 7. close()

2.客户端

 - socket() 
 - connect() 
 - send() 
 - recv() 
 - close()

我们先来看一下三次握手的状态图。首先当客户端和服务端进行连接时，它是一种过程，中间有很多状态。
Linux内核会为维护两个队列

  • 为SYN_RCVD状态的socket维护一个队列（半连接队列）

    等待收到对方的ACK，接着把该socket放到全连接队列中

  • 为处于ESTABLISTENsocket维护一个队列（全连接队列）

    等待服务端进行accept的时候从这个队列中取出socket。

在这里插入图片描述
listen函数的backlog的值加1则是这个全连接队列的大小。
对于半连接队列的大小，我们可以通过下面命令来查看，它同样可以修改。
在这里插入图片描述

因为队列在内核中维护，这个也需要消耗大量资源，所以backlog的大小不能太大，不能超过128。
所以说listen中backlog的值并不是服务端能连接客户端的大小。

客户端链接服务端成功的条件

1.端口，ip地址，服务类型都正确
2.服务器正在运行
3.网络正常
4.服务器资源充足

多线程实现服务端并发

服务端
threadser.cpp

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<netinet/in.h>
#include<bits/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
#include<pthread.h>
int sock_init()
{
  int socketfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
  if(socketfd == -1)
  {
   std::cout<<"socket erro"<<std::endl;
   exit(1);
  }
  struct sockaddr_in saddr,caddr;
  memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
  saddr.sin_family = AF_INET;
  saddr.sin_port=htons(6000);
  saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
  int res = bind(socketfd,(struct sockaddr *)&saddr,sizeof(saddr));
  if(res == -1)
  {
   std::cout<<"bind erro "<<std::endl;
   exit(1);
  }
  res = listen(socketfd,5);
  if(res == -1)
  {
   std::cout<<"listen erro"<<std::endl;
    exit(1);
  }
 return socketfd;

}
void * fun(void *);
int main()
{
 int socketfd = sock_init();
 while(1)
 {

   struct sockaddr_in caddr;
   int len = sizeof(caddr);
   int c = accept(socketfd,(struct sockaddr *)&caddr,(socklen_t *)&len);
   if(c<=0)
   {
     std::cout<<"accept erro"<<std::endl;
     break;
   
   }
   std::cout<<"c=  "<<c<<"ip=  "<<inet_ntoa(caddr.sin_addr)<<"port=  "<<ntohs(caddr.sin_port)<<std::endl;;
   pthread_t id;
   pthread_create(&id,NULL,fun,(void *)(long)c);
 
   }
}
void * fun(void * arg)
{
 int c = (int)(long)arg;
  while(1)
  {
   char buff[128]={0};
   int n = recv(c,buff,1,0);
   if(n<=0)
   {
    break;
   
   }
   std::cout<<"recive ="<<buff<<"len="<<n<<std::endl;
   send(c,"ok",2,0);
  }
  std::cout<<c<<"close"<<std::endl;
  close(c);
  return NULL;
}

客户端
cli.cpp

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<netinet/in.h>
#include<bits/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
int main()
{
 int socketfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
 if(socketfd == -1)
 {
    std::cout<<"socket erro"<<std::endl;
     exit(1);
 
 }

 struct sockaddr_in saddr;
 memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
 saddr.sin_family = AF_INET;
 saddr.sin_port =htons(6000);
 saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
 int res = connect(socketfd,(struct sockaddr *)&saddr,sizeof(saddr));
 if(res == -1)
 {
   std::cout<<"connect erro"<<std::endl;
   exit(1);
 
 }

  while(1)
  {

   char buff[128]={0};
  std::cout<<"please input"<<std::endl;
   fgets(buff,128,stdin); 
   if(strncmp(buff,"end",3)==0)
   {
    break;
   }
   send(socketfd,buff,strlen(buff)-1,0);
   memset(buff,0,sizeof(buff));
   recv(socketfd,buff,127,0);
   std::cout<<"buff = "<<buff<<std::endl;
  }
   close(socketfd);
   exit(0);
  
}

运行结果
客户端1
在这里插入图片描述

客户端2
在这里插入图片描述

服务端
在这里插入图片描述

多进程实现服务端并发

服务端
courseser.cpp

#include<iostream>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<netinet/in.h>
#include<bits/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
#include<pthread.h>
#include<signal.h>
void fun(int sig)
{
  wait(NULL);

}
int sock_init()
{
  int socketfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
  if(socketfd == -1)
  {
    std::cout<<"socket erro"<<std::endl;
   exit(1);
  }
  struct sockaddr_in saddr,caddr;
  memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
  saddr.sin_family = AF_INET;
  saddr.sin_port=htons(6000);
  saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
  int res = bind(socketfd,(struct sockaddr *)&saddr,sizeof(saddr));
  if(res == -1)
  {
    std::cout<<"bind erro "<<std::endl;
   exit(1);
  }
  res = listen(socketfd,5);
  if(res == -1)
  {
     std::cout<<"listen erro"<<std::endl;
    exit(1);
  }
 return socketfd;

}
int main()
{
 signal(SIGCHLD,fun);
 int socketfd = sock_init();
 while(1)
 {

   struct sockaddr_in caddr;
   int len = sizeof(caddr);
   int c = accept(socketfd,(struct sockaddr *)&caddr,(socklen_t*)&len);
   if(c<=0)
   {
      std::cout<<"accept erro"<<std::endl;
     break;
   
   }
   std::cout<<"c="<<c<<"  ip="<<inet_ntoa(caddr.sin_addr)<<"  port="<<ntohs(caddr.sin_port)<<std::endl;;
   pid_t pid = fork();
  if(pid ==0)
  {
  
    while(1)
   {
     char buff[128]={0};
     int n = recv(c,buff,127,0);
     if(n<=0)
    {
      break;
   
    }
     std::cout<<"recive ="<<buff<<"  len="<<n<<std::endl;
     send(c,"ok",2,0);
  
   } 
  std::cout<<c<<"close"<<std::endl;
  close(c);
  }
 
 }
 exit(0);
}

客户端
cli.cpp

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<netinet/in.h>
#include<bits/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
int main()
{
 int socketfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
 if(socketfd == -1)
 {
    std::cout<<"socket erro"<<std::endl;
     exit(1);
 
 }

 struct sockaddr_in saddr;
 memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
 saddr.sin_family = AF_INET;
 saddr.sin_port =htons(6000);
 saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
 int res = connect(socketfd,(struct sockaddr *)&saddr,sizeof(saddr));
 if(res == -1)
 {
   std::cout<<"connect erro"<<std::endl;
   exit(1);
 
 }

  while(1)
  {

   char buff[128]={0};
  std::cout<<"please input"<<std::endl;
   fgets(buff,128,stdin); 
   if(strncmp(buff,"end",3)==0)
   {
    break;
   }
   send(socketfd,buff,strlen(buff)-1,0);
   memset(buff,0,sizeof(buff));
   recv(socketfd,buff,127,0);
   std::cout<<"buff = "<<buff<<std::endl;
  }
   close(socketfd);
   exit(0);
  
}

运行结果
服务端
在这里插入图片描述
客户端1
在这里插入图片描述
客户端2
在这里插入图片描述

注意：

关闭的时候要先关闭所以客户端，然后再关闭服务端，要不然运行服务端的时候会出现端口占用的情况，无法启动。

UDP编程

与TCP编程相比，UDP编程一定要每次都把数据读完，因为它是无连接的，如果没有读完的话，则会把剩余的数据丢掉。
udp在局域网中很难丢数据

编程步骤

服务端

1.socket()
2.bind()
3.recvfrom()
4.sendto()
5.close()

客户端

1.socket()
 //bind()可有可无
2.sendto()
3.recvfrom()
4.close()

实现

ser.cpp

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
int main()
{
 int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
 if(sockfd == -1)
 {
   std::cout<<"sockfd erro"<<std::endl;
  exit(1);
 
 }
 struct sockaddr_in saddr,caddr;
 memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
 saddr.sin_family = AF_INET;
 saddr.sin_port = htons(6000);
 saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
 int res =bind(sockfd,(struct sockaddr *)&saddr,sizeof(saddr));
 if(res == -1)
 {
   std::cout<<"bind erro"<<std::endl;
  exit(1);
 }

 while(1)
 {
   char buff[128]={0};
   int len = sizeof(caddr);
   int num = recvfrom(sockfd,buff,127,0,(struct sockaddr *)&caddr,(socklen_t*)&len);
   std::cout<<"datalength="<<num<<"  ip="<<inet_ntoa(caddr.sin_addr)<<"  buff="<<buff<<std::endl;
   sendto(sockfd,"ok",2,0,(struct sockaddr *)&caddr,sizeof(caddr));
 
 }
 close(sockfd);
 exit(0);
}

cli.cpp

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
int main()
{
 int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
 if(sockfd == -1)
 {
  std::cout<<"sockfd erro"<<std::endl;;
  exit(1);
 
 }
 struct sockaddr_in saddr;
 memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
 saddr.sin_family = AF_INET;
 saddr.sin_port = htons(6000);
 saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

 while(1)
 {
   std::cout<<"input"<<std::endl;
   char buff[128]={0};
   fgets(buff,128,stdin);
   if(strncmp(buff,"end",3) == 0)
   {
    break;
   }
   sendto(sockfd,buff,strlen(buff)-1,0,(struct sockaddr *)&saddr,sizeof(saddr));
   memset(buff,0,sizeof(buff));
  int len = sizeof(saddr);
  recvfrom(sockfd,buff,127,0,(struct sockaddr *)&saddr,(socklen_t*)&len);
  std::cout<<"recive ="<<buff<<std::endl;
 }
 close(sockfd);
 exit(0);
}

运行结果
服务端
在这里插入图片描述
客户端1
在这里插入图片描述
客户端2
在这里插入图片描述

对于UDP编程来说，它是无连接的，发送数据的时候只需要知道对方的IP和端口就可以了

TCP 可靠，开销大
UDP 开销小，不可靠
UDP和TCP可以同时复用一个端口

一个进程中可以创建多个套接字，只要使用的端口不同就可以了

netstat

netstat -natp

查看tcp连接的各种信息
在这里插入图片描述

netstat -naup

在这里插入图片描述

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