Linux网络编程 socket编程篇(一) socket编程基础

news2024/7/6 18:33:17

目录

一、预备知识 

1.IP地址

2.端口号

3.网络通信

4.TCP协议简介

5.UDP协议简介

6.网络字节序

二、socket

1.什么是socket(套接字)？

2.为什么要有套接字？

3.套接字的主要类型

拓】网络套接字

三、socket API

1.socket API是什么？  

2.为什么要有Socket API?

3.Socket编程常见API

3.1 socket()

int socket(int domain, int type, int protocol); 

3.2 bind()

3.3 listen ()

3.4 accept()

3.5 connect ()

四、sockaddr

1. 是什么？

2. 为什么？

3. sockaddr的分类

4.Linux中sockaddr的声明

5.创建并填充struct sockaddr_in

6.使用sockaddr传参

一、预备知识 

1.IP地址

1.1 是什么？

        IP地址是在IP协议中, 用来标识网络中不同主机的地址。

1.2 IPv4 & IPv6

  • 对于IPv4来说, IP地址是一个4字节, 32位的整数。通常使用 "点分十进制" 的字符串表示IPv4地址, 例如 123.145.67.89 ; 用点分割的每一个数字表示一个字节, 范围是 0 - 255;
  • 对于IPv6来说, IP地址长度为16字节128位，是IPv4地址长度的4倍。于是IPv4点分十进制格式不再适用，采用十六进制表示。具体表示方式请看：IPv6- 百度百科

1.3源IP和目的IP

  • 在IP数据报(在网络层向数据链路层传递数据时封装)的首部中, 有两个IP地址, 分别叫做源IP地址, 和目的IP地址。
  • 源IP地址：发送消息的主机地址。
  • 目的IP地址：接收消息的主机地址。

2.端口号

2.1 是什么？

         端口号是一个2字节16位的整数，用来标识一个进程。

2.2 pid 表示唯一一个进程; 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?

        
  • "端口号" 和 "进程pid"没有任何关系。
    端口号用于网络通信，而进程pid用于进程管理，网络通信和进程管理是两个毫不相干的模块。之所以不用pid来代替端口号的功能是为了功能解耦，减少系统的耦合度。
  • 不是所有的进程需要端口号，但是所有的进程都需要PID。
  • 一个进程可以有多个端口号; 但一个端口号只能被一个进程占用。

2.3 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"。
  • 源端口号：发送消息的进程的端口号。
  • 目的端口号：接收消息的进程的端口号。

3.网络通信

3.1 是什么？

        网络通信的本质就是进程间通信。

3.2 为什么？

        发送数据的主机由进程发出数据，接收数据的主机也要靠进程处理数据。简化后其实就是一个进程发出数据，另一个进程处理数据。所以说网络通信的本质就是进程间通信。

3.3 网络通信时如何保证IP地址+端口号能找到指定进程？

  • 客户端进程给服务端进程发信息
            服务端进程一般都是一经启动，避免关闭，所以服务端进程的端口号不会随意改变。所以客户端进程能根据下载软件时得到的IP地址+端口号找到服务端进程。     
  • 服务端进程给客户端进程发信息
            软件被用户打开后，客户端进程和端口号被创建，此时客户端进程要先向服务端发信息来获取数据，所以服务端进程就得到了客户端进程的IP地址+端口号，往后服务端进程能根据客户端进程的IP地址+端口号找到客户端进程。（所以我们打开软件后，通常会加载一会）

3.4 OS如何根据端口号找到指定的进程？

        底层采用哈希的方式建立了端口号和进程PID或PCB之间的映射关系，当底层拿到端口号时就可以在哈希表中根据端口号找到对应的进程。

3.5 网络通信是双方的

        当一台主机发送数据给另一台主机时，发送方除了要发送数据外还要把自己的 IP地址和端口号 发送给接收方，所以接收方能给发送方回数据。所以说通信是双方的。

4.TCP协议简介

  • TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)，TCP协议是一种有连接、可靠、面向字节流的传输层通信协议。
  • TCP协议是面向连接的，如果两台主机之间想要进行数据传输，那么必须要先建立连接，当连接建立成功后才能进行数据传输。
  • TCP协议是可靠的，因为TCP协议注重丢包率， TCP协议花费大量开销解决数据在传输过程中出现的丢包、乱序等问题，保证不丢包。文件传输、电子邮件、网站访问一般用的就是TCP协议。

5.UDP协议简介

  • UDP(User Datagram Protocol 用户数据报协议)，UDP协议是一种无连接、不可靠、面向数据报的传输层通信协议。
  • 使用UDP协议进行通信时无需建立连接，如果两台主机之间想要进行数据传输，那么直接将数据发送给对端主机就行了。
  • UDP协议是不可靠的，因为UDP协议注重效率，没有处理在传输数据过程中小概率出现的丢包、乱序等情况。直播一般用的就是UDP协议。

6.网络字节序

6.0 大端字节序和小端字节序

  • 大端字节序：是将数据的低位字节放到高地址处，高位字节放到低地址处。
    （大端低地址高字节：“大弟高”）
  • 小端字节序，是将数据的低位字节放到低地址处，高位字节放到高地址处。
    （小端低地址低字节：“小弟弟”）

6.1 是什么？

        
        即网络通信中共同遵守的字节序，规定为 大端字节序（低字节，高地址）。

6.2 为什么？

        不同计算机的 字节序不同，如果在网络通信时不加以规定，会出现发送方以大端模式发送数据，接收方以小端模式读取数据，导致通信失败的情况。

6.3 怎么定义？

        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规定的网络字节序来发送/接收数据。
如果当前发送主机是小端, 就需要先将数据转成大端再发送，否则直接发送。

6.4 网络字节序与主机字节序之间的转换函数

        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

#include <arpa/inet.h>
 
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
//将主机字节序(h)转换为(to)网络字节序(n)要转化的数据是长整数(l)。

uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
  • 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。所以htonl表示：将主机字节序(h)转换为(to)网络字节序(n)要转化的数据是长整数(l)。
  • 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，将参数原封不动地返回。 

二、socket

1.什么是socket(套接字)？

        IP地址+端口号就是socket(套接字) ，用来标定某主机上的某进程。

2.为什么要有套接字？

        有了套接字，不同主机的进程才能在网络中找到彼此，才能进行网络通信(进程间通信的前提是能互相看到彼此)，所以说套接字是网络通信的基石。其次有了套接字，开发者才能开发出通用的网络通信接口，用户也能拿着套接字去使用这些接口。

3.套接字的主要类型

  • 网络套接字：应用于跨主机网络通信，也支持本地通信，主要有两种：
         a.流套接字：用于读取TCP协议的数据。
         b.数据报套接字：用于读取UDP协议的数据。
  • unix域间套接字：只能进行本地通信。
  • 原始套接字(SOCK_RAW)：可以从应用层直接绕开传输层，直接去访问底层协议，所以原始套接字可以读写内核没有处理的IP数据包，而流套接字只能读取TCP协议的数据，数据报套接字只能读取UDP协议的数据。因此，如果要访问其他协议发送的数据必须使用原始套接字。

拓】网络套接字

  1. 流套接字(SOCK_STREAM)流套接字用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务将保证数据能够实现无差错、无重复送，并按顺序接收。流套接字之所以能够实现可靠的数据服务，原因TCP协议。流套接字只能读取TCP协议的数据。
  2. 数据报套接字(SOCK_DGRAM)数据报套接字提供一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的可靠性,数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP( User DatagramProtocol)协议进行数据的传输。由于数据报套接字不能保证数据传输的可靠性，对于有可能出现的数据丢失情况，需要在程序中做相应的处理。数据报套接字只能读取UDP协议的数据。

拓】功能强大的套接字

        套接字是非常强大的，虽然现在主要用于网络通信，但其实套接字可以用于几乎任何类型的进程间通信：本地通信、各种类型的网络通信等。

三、socket API

1.socket API是什么？  

        是提供给程序员(应用层)做网络开发所用的接口，用来实现不同主机中进程的通信。

        Socket API(套接字编程接口)实际是 传输层 提供给 应用层 的编程接口，用来实现不同主机中进程的通信：传输层在网络层的基础上提供进程到进程问的逻辑通道，而应用层的进程则利用传输层向另一台主机的某一进程通信。Socket就是应用层与传输层之间的桥梁，使用Socket编程可以开发客户端和服务端应用程序，从而通过网络实现在全球范围内通信。

2.为什么要有Socket API?

        socket(套接字)只是网络通信的前提，只有开发出一套通用的网络接口才能实现不同主机中进程的通信。Linux下的这套接口就是Socket API（套接字编程接口）。

3.Socket编程常见API

3.1 socket()

int socket(int domain, int type, int protocol); 

//创建socket_fd(套接字 文件描述符），用于TCP/UDP网络程序中的客户端 + 服务器

3.2 bind()

//让 socket_fd和sockaddr_in绑定， 用于 TCP/UDP 网络程序中的 服务器。

3.3 listen ()

//开始监听socket，用于 TCP 网络程序中的 服务器

3.4 accept()

//接收请求，用于 TCP 网络程序中的 服务器

3.5 connect ()

//建立连接，用于 TCP 网络程序中的 服务器

四、sockaddr

1. 是什么？

        struct sockaddr(套接字地址结构体)是Linux用来保存套接字和套接字类型的结构体。

2. 为什么？

        使用Socket API要需要传入套接字，Linux选择用struct sockaddr保存套接字和套接字类型。在Linux下使用Socket API要传入struct  sockaddr*。

3. sockaddr的分类

        Linux中只设置了一套Socket API(套接字编程接口)，但是有不同类型的套接字(用于IPv4的套接字、用于IPv6的、用于本地通信的) ，所以使用struct sockaddr、struct sockaddr_in 、struct  sockaddr_un来区分不同类型的套接字：

sockaddr、sockaddr_in 和 sockaddr_un结构体头部的16个比特位（2字节）都是一样的，这16位是地址类型用来区分套接字的类型的，根据套接字的类型(IPv4、IPv6……)，分别定义为常数AF_INET、AF_INET6……

Socket API都用struct  sockaddr *类型传参，将 sockaddr_in 或 sockaddr_un强制类型转换为sockaddr，才能被Socket API识别。对于传进来的参数 sockaddr ，函数通过前两个字节，进行判断是网络通信还是本地通信，知道这个结果后再强制类型转换回  sockaddr_in 和 sockaddr_un结构体。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。

4.Linux中sockaddr的声明

  • struct  sockaddr（在头文件：<sys/socket.h>中）

  • struct sockaddr_in (在头文件：<netinet/in.h>中)

  • struct sockaddr_un (在头文件：<sys/un.h>中)

5.创建并填充struct sockaddr_in

4.0 导入结构体定义所在的头文件。

#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in ，定义在头文件：<netinet/in.h>中。

4.1 定义struct sockaddr_in变量。

struct sockaddr_in local;
  • struct sockaddr_in：用来定义Ipv4和Ipv6的套接字结构体，用于网络通信。
  • struct sockaddr_un ：用来定义UNIX_Domain_Socket(Unix域套接字:用于同一台主机上进程间通信)。用于本地通信。

4.2 初始化结构体

bzero(&local, sizeof(local));

使用bzero() 或 memset()初始化结构体的内存空间为0 。

4.3 设置地址类型

local.sin_family = AF_INET;

4.4 设置端口号 (保存端口号的变量为：port，是一个2字节16位的整数)

local.sin_port = htons(port);

端口号要被对方获取，也是网络数据的一部分，所以要考虑大小端问题，使用htons函数将主机字节序转为网络字节序。

4.5 设置IP地址 (保存IP地址的变量为：ip，是一个点分十进制字符串)

local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);

 inet_addr()的作用：

        1.将点分十进制字符串风格的IP地址 -> 4字节整数

        2.ip地址也要考虑大小端：将4字节整数 -> 网络序列

6.使用sockaddr传参

        Socket API只接受struct  sockaddr *类型传参，所以将 sockaddr_in、 sockaddr_un强制类型转换为sockaddr，才能被Socket API识别。
        对于传进来的参数 sockaddr ，函数通过前两个字节，进行判断是网络通信还是本地通信，知道这个结果后再强制类型转换回  sockaddr_in 和 sockaddr_un结构体。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。

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