网络编程(第二章: TCPUDP基础模型)

news2024/10/4 8:11:01

TCP/UDP（服务器、客户端源码）

[(12条消息) 网络编程(4.7作业)(TCP/UDP源代码)_m0_37565374的博客-CSDN博客]:

一. 套接字 socket

1.概念

  1. 最早的socket和消息队列、共享内存，管道一致只能实现一台主机中的多个进程间通信。后期加入了TCP/IP 使得socket支持不同主机的进程间通信。
  2. socket也是一个函数，返回值是一个文件描述符。

image-20230410141427582

2. socket函数(创建套接字)

功能：在内核空间中创建两个缓冲区：接收缓冲区，发送缓冲，用户空间可以接收到两块空间的文件描述符
原型：

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

参数：

  • int domain：指定协议族（地址族）

    NamePurposeMan page
    AF_UNIX, AF_LOCAL局域网unix(7)
    AF_INETipv4ip(7)
    AF_INET6ipv6ipv6(7)

  • int type：

    SOCK_STREAM字节流式套接字：默认指定TCP协议
    SOCK_DGRAM数据报式套接字：默认指定UDP协议
    SOCK_RAW原始套接字，协议需要在第三个参数指定；

  • int protocol：指定协议; 默认协议填0;

    • IPPROTO_TCP tcp协议
    • IPPROTO_UDP udp协议;

返回值：

  • 成功，返回维护缓冲区的文件描述符，套接字文件描述符;
  • 失败，返回-1，更新errno;

二. TCP

1. TCP模型图

image-20230410143239498

image-20230410143247617

2. TCP搭建相关函数

2.1 socket函数(创建套接字)(同上)

2.2 bind(绑定套接字)

功能：将IP和端口绑定到套接字上
原型：

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数：

  • int sockfd：指定要绑定到哪个套接字上，填对应文件描述符;

struct sockaddr*addr：通用地址信息结构体，真实的地址信息结构体根据地址族指定；
                    指定需要绑定到套接字上的IP和端口
--AF_INET--man 7 ip----
   struct sockaddr_in {
       sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */     必须填AF_INET;
       in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */  端口号的网络字节序，1024~49151
       struct in_addr sin_addr;   /* internet address */            本机IP地址的网络字节序
                                                                   终端输入：ifconfig查看本机IP
   };
/* Internet address. */
struct in_addr {
   uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};
  • socklen_t addrlen：真实的地址信息结构体的大小：sizeof(struct sockaddr_in)；

返回值：

  • 成功，返回0;
  • 失败，返回-1，更新errno;

2.3 listen(设置被动监听模式)

功能：将套接字设置为被动监听状态，监听是否有客户端连接成功;
原型：

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

参数：

  • int sockfd：指定将哪个套接字设置为被动监听状态; socket函数的返回值;
  • int backlog：指定未完成连接队列的容量; 允许同时多少个客户端处于未完成连接状态。 一般填128
    内核会维护两个队列：未完成连接的队列，已完成连接的队列;

返回值：

  • 成功，返回0;
  • 失败，返回-1，更新errno;

2.4 accept（获取客户信息）

功能：阻塞函数，从已完成连接的队列头中获取一个客户端信息，生成一个新的文件描述符
该文件描述符才是与客户端通信的文件描述符！！
原型：

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数：

  • int sockfd：被设置为被动监听状态的文件描述符;

  • struct sockaddr *addr：通用地址信息结构体，真实的地址信息结构体根据地址族指定;
    存储连接成功的客户端的地址信息。如果不想获取，则填NULL;

  • socklen_t *addrlen：真实的地址信息结构体的大小，注意是指针类型，需要在外部定义普通变量，赋值后取地址;
    如果第二个参数填NULL，则当前参数填NULL;

返回值：

  • 成功，返回新的文件描述符，该文件描述符用于与客户端通信;
  • 失败，返回-1，更新errno;

2.5 recv(接收数据)

功能：从指定的套接字文件描述符中，接收数据
原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

参数：

  • int sockfd：指定要从哪个文件描述符中获取数据，填accept函数获取到的新的文件描述符;

  • void *buf：该指针指向的内存空间中存储获取到的数据，可以是任意类型数据;

  • size_t len：指定要接收的数据大小，以字节为单位;

  • int flags:
    0：阻塞方式接收，当没有数据的时候阻塞;
    MSG_DONTWAIT：非阻塞;

返回值：

  • >0 , 成功，返回成功接收到的字节数;
  • =0, 对端关闭，返回0;
  • =-1, 函数运行失败，更新errno;

2.6 send(发送消息)

功能：通过套接字文件描述符，向指定套接字发送数据;
原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

参数：

  • int sockfd：指定要向哪个文件描述符发送数据，填accept函数获取到的新的文件描述符;

  • void *buf：指定要发送的数据首地址，可以是任意类型数据;

  • size_t len：指定要发送的数据大小，以字节为单位;

  • int flags:
    0：阻塞方式发送，当数据满的时候阻塞;
    MSG_DONTWAIT：非阻塞;

返回值：

  • 成功，返回成功发送的字节数;
  • 失败，返回-1，更新errno;

2.7 connect(连接服务器)

功能：通过服务器的IP和端口，连接指定服务器;
原型：

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数：

  • int sockfd：指定要将哪个套接字与服务器连接;

  • struct sockaddr *addr：通用地址信息结构体，真实的地址信息结构体根据地址族指定；
    指定要连接的服务器所绑定的IP和端口;

  • socklen_t addrlen：真实的地址信息结构体的大小：sizeof(struct sockaddr_in)；

返回值：

  • 成功，返回0;
  • 失败，返回-1，更新errno;

二. UDP

1.UDP模型图

image-20230411115540104

2.UDP搭建相关函数

2.1 socket(创建套接字)(同上)

2.2 bind(绑定套接字)(同上)

bind报错：

  1. bind: Address already in use ===>端口号被占用
  2. bind: Cannot assign requested address ===》IP地址错误，不是本机IP

2.3 recvfrom(接受数据)

功能：从指定套接字中接收数据，同时可以接收到该数据包从哪个发送方发送过来的
原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, 
				struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

参数：

  • int sockfd：指定要从哪个文件描述符中获取数据，填accept函数获取到的新的文件描述符;
  • void *buf：该指针指向的内存空间中存储获取到的数据，可以是任意类型数据;
  • size_t len：指定要接收的数据大小，以字节为单位;
    • int flags:
      0：阻塞方式接收，当没有数据的时候阻塞;
      MSG _DONTWAIT：非阻塞;
  • struct sockaddr *src_addr：通用地址信息结构体，该地址信息结构体中存储数据包是从谁那里发送过来的。
    如果不想知道从谁那里过来，则填NULL;
  • socklen_t *addrlen：真实的地址信息结构体的大小，注意是指针类型，需要在外部定义普通变量，赋值后取地址;
    如果上一个参数填NULL，则当前参数填NULL;

返回值：

  • >0 , 成功，返回成功接收到的字节数;
  • =0, 对端关闭，返回0; 只适用于TCP情况;
  • =-1, 函数运行失败，更新errno;

recv(sockfd, buf, len, flags); 相当于 recvfrom(sockfd, buf, len, flags, NULL, NULL);

2.4 sendto(发送数据)

功能：将数据发送到指定的套接字中，需要指定发给谁，即指定好接收方的地址信息结构体
原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
          const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

参数：

  • int sockfd：指定要向哪个文件描述符发送数据，填accept函数获取到的新的文件描述符;

  • void *buf：指定要发送的数据首地址，可以是任意类型数据;

  • size_t len：指定要发送的数据大小，以字节为单位;

  • int flags:

    • 0：阻塞方式发送，当数据满的时候阻塞;
    • MSG_DONTWAIT：非阻塞;

  • const struct sockaddr *dest_addr：通用地址信息结构体，真实的地址信息结构体跟着地址族来定
    需要填充接收方的地址信息结构体，指定数据要发给谁;

  • socklen_t addrlen：真实的地址信息结构体的大小：sizeof(struct sockaddr_in)；

返回值：

  • 成功，返回成功发送的字节数;
  • 失败，返回-1，更新errno;

send(sockfd, buf, len, flags); 相当于sendto(sockfd, buf, len, flags, NULL, 0);

3. UDP中的connect函数（重点！）

  1. udp中可以使用connect函数，但是不会产生连接

    ​ TCP中的connect函数会产生三次握手，将client和server连接。

    ​ UDP中的connect函数，仅仅是将对端的IP和端口记录到内核套接字空间中，此时是udp只能与记录的对端进行通信。

  2. TCP中的connect函数只能被调用一次。

    UDP中的connect函数可以被调用多次，刷新内核中对端的IP和端口，

    如果想要清空内核中对端的地址信息，则将sin_family

    成员设置为AF_UNSPEC，调用connect函数即可。

  3. 当udp采用connect函数的方式收发报文后，可以调用send write recv read函数。也可以使用sendto recvfrom.但是需要使用以下形式

    sendto(sfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, 0);
recvfrom(sfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);

udp中的connect函数的优点：

  1. 提升传输效率

    1. 不调用connect: 将对端的信息填充到内核 —> 发送报文 —>清空内核信息 —>将对端的信息填充到内核 —> 发送报文 —>清空内核信息—>…
    2. 调用connect: 将对端的信息填充到内核 —> 发送报文 —> 发送报文 —> 发送报文—> 发送报文

  3. 增加传输时候的稳定性

    sendto(sfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, 0);
recvfrom(sfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);

udp中的connect函数的优点：

  1. 提升传输效率

    1. 不调用connect: 将对端的信息填充到内核 —> 发送报文 —>清空内核信息 —>将对端的信息填充到内核 —> 发送报文 —>清空内核信息—>…
    2. 调用connect: 将对端的信息填充到内核 —> 发送报文 —> 发送报文 —> 发送报文—> 发送报文

  3. 增加传输时候的稳定性

    1. 可以防止AB进程在做大量数据传输过程中，接收到C进程的数据，造成数据错误。

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