Linux网络编程

最新推荐文章于 2025-05-24 08:03:58 发布

A-Tunx

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文章标签：网络 linux php

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版权

关于网络编程

我的个人理解，其本质还是一种通讯，只不过从有线变成了无线，从电平时序图变成了协议，对于有线通讯方式，我们通过了解他的物理实现和电气特性等等方面来学习，而对于网络编程，就需要我们了解协议特性以及如何建立这些连接，至于底层的射频原理不用深究

TCP/IP

模型

TCP/IP从OSI模型简化而来，整体设计共四层，自下而上分别是：网络接口层，网络层，传输层，应用层。

网络接口层：负责将二进制流转换为数据帧，并进行数据帧的发送和接收。要注意的是数据帧是独立的网络信息传输单元(数据帧之间互不影响)。

网络层：负责将数据帧封装成IP数据包，并运行必要的路由算法。

传输层：负责端对端之间的通信会话连接与建立。传输协议的选择根据数据传输方式而定。

应用层：负责应用程序的网络访问，这里通过端口号来识别各个不同的进程。

协议族

虽然TCP/IP这个名字只有两个协议，但实际上整个系统的每个层次都包含了许多协议

网络接口层：ARP、RARP、MPLS

网络层：ICMP、IGMP、IPv4、IPv6

传输层：TCP、UDP

应用层：telnet、ftp

TCP

概述

向相邻的高层提供服务。

TCP数据传输实现了从一个应用程序到另一个应用程序的数据传递。

应用程序通过编程调用TCP并使用TCP服务，提供需要准备发送的数据，用来区分接收数据应用的目的地址和端口号。

通常应用程序通过打开一个socket来使用TCP服务，TCP管理到其他socket的数据传递。

IP用以区分同一网络中不同的设备

socket则用来区分设备中的不同进程

基本协议

滑动窗口协议。

当发送方传送一个数据报时，它将启动计时器。当该数据报到达目的地后，接收方的TCP实体往回发送一个数据报，其中包含有一个确认序号，它表示希望收到的下一个数据包的顺序号。如果发送方的定时器在确认信息到达之前超时，那么发送方会重发该数据包。

三次握手

目的是使数据段的发送和接收同步，告诉其他主机其一次可接收的数据量，并建立虚连接。

1.初始化主机通过一个同步标志置位的数据段发出会话请求。

2.接收主机通过发回具有以下项目的数据段表示回复：同步标志置位、即将发送的数据段的起始字节的顺序号、应答并带有将收到的下一个数据段的字节顺序号。

3.请求主机再回送一个数据段，并带有确认顺序号和确认号。

TCP数据报头

数据包头是用来管理和控制数据传输的部分

源端口、目的端口：16位长。标识出远端和本地的端口号。

顺序号：32位长。标识发送的数据报的顺序。

确认号：32位长。希望收到的下一个数据包的序列号。

TCP头长：4位长。表明TCP头中包含多少个32位字。

ACK：ACK位置1表明确认号是合法的。如果ACK为0，那么数据报不包含确认信息，确认字段被省略。

PSH：表示是带有PUSH标志的数据。接收方因此请求数据包一到便将其送往应用程序而不必等到缓冲区装满时才传送。

RST：用于复位由于主机崩溃或其他原因而出现的错误连接。还可以用于拒绝非法的数据包或拒绝连接请求。

SYN：用于建立连接。

FIN：用于释放连接。

窗口大小：16位长。窗口大小字段表示在确认了字节之后还可以发送多少个字节。

校验和：16位长。是为了确保高可靠性而设置的。它校验头部、数据和伪TCP头部之和。

可选项：0个或多个32位字。包括最大TCP载荷，滑动窗口比例以及选择重发数据包等选项。

图中阴影部分表示空出6位未用

UDP

概述

用户数据报协议，是一种无连接协议，不需要像TCP那样通过三次握手来建立一个连接。

一个UDP应用可同时作为应用的客户或服务器方。

由于UDP协议并不需要建立一个明确的连接，因此建立UDP应用要比建立TCP应用简单得多。

它比TCP协议更为高效，也能更好地解决实时性的问题。

UDP数据报头

源地址、目的地址：16位长。标识出远端和本地的端口号。

老实说，我看不懂华清远见的图，但这不影响，有个概念印象就行

TCP对比UDP

在网络编程过程中，选择哪个协议？要快要实时就UDP，要稳要可靠就TCP

网络编程

socket

概述

Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的

socket是一种特殊的I/O接口，它也是一种文件描述符。socket是一种常用的进程之间通信机制，通过它不仅能实现本地机器上的进程之间的通信，而且通过网络能够在不同机器上的进程之间进行通信。

每一个socket都用一个半相关描述{协议、本地地址、本地端口}来表示；一个完整的套接字则用一个相关描述{协议、本地地址、本地端口、远程地址、远程端口}来表示。socket也有一个类似于打开文件的函数调用，该函数返回一个整型的socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过socket来实现的。

类型

流式socket：流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流；它使用TCP协议，从而保证了数据传输的正确性和顺序性。

数据报socket：数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议UDP。

原始socket：原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP进行直接访问，它功能强大但使用较为不便，主要用于一些协议的开发。

地址和顺序处理

这两个数据类型是等效的，可以相互转化，通常sockaddr_in数据类型使用更为方便。在建立socketadd或sockaddr_in后，就可以对该socket进行适当的操作

struct sockaddr 
{
       unsigned short sa_family; /*地址族*/
       char sa_data[14]; /*14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号。*/
};
struct sockaddr_in 
{
       short int sa_family; /*地址族*/
       unsigned short int sin_port; /*端口号*/
       struct in_addr sin_addr; /*IP地址*/
       unsigned char sin_zero[8]; /*填充0 以保持与struct sockaddr同样大小*/
};

结构字段：sa_family

数据存储优先顺序

计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先（称为大端模式）和低位字节优先（称为小端模式，PC机通常采用小端模式）。

Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，因此在有些情况下，需要对这两个字节存储优先顺序进行相互转化。

这里用到了4个函数：htons()、ntohs()、htonl()和ntohl()。

这4个地址分别实现网络字节序和主机字节序的转化，这里的h代表host，n代表network，s代表short，l代表long。通常16位的IP端口号用s代表，而IP地址用l来代表。

地址格式转换

通常用户在表达地址时采用的是点分十进制表示的数值（或者是以冒号分开的十进制IPv6地址），而在通常使用的socket编程中所使用的则是二进制值，这就需要将这两个数值进行转换。

这里在IPv4中用到的函数有inet_aton()、inet_addr()和inet_ntoa()，而IPv4和IPv6兼容的函数有inet_pton()和inet_ntop()。

由于IPv6是下一代互联网的标准协议，因此，讲解的函数都能够同时兼容IPv4和IPv6。

名字地址转换

使用过程中都不愿意记忆冗长的IP地址，尤其到IPv6时，地址长度多达128位，那时就更加不可能一次次记忆那么长的IP地址了。

因此，使用主机名将会是很好的选择。在Linux中，同样有一些函数可以实现主机名和地址的转化，最为常见的有gethostbyname()、gethostbyaddr()和getaddrinfo()等，它们都可以实现IPv4和IPv6的地址和主机名之间的转化。

gethostbyname()和gethostbyaddr()都涉及一个hostent的结构体

struct hostent
{
       char *h_name;/*正式主机名*/
       char **h_aliases;/*主机别名*/
       int h_addrtype;/*地址类型*/
       int h_length;/*地址字节长度*/
       char **h_addr_list;/*指向IPv4或IPv6的地址指针数组*/
}

调用gethostbyname()函数或gethostbyaddr()函数后就能返回hostent结构体的相关信息。

getaddrinfo()函数涉及一个addrinfo的结构体

struct addrinfo
{
       int ai_flags;/*AI_PASSIVE, AI_CANONNAME;*/
       int ai_family;/*地址族*/
       int ai_socktype;/*socket类型*/
       int ai_protocol;/*协议类型*/
       size_t ai_addrlen;/*地址字节长度*/
       char *ai_canonname;/*主机名*/
       struct sockaddr *ai_addr;/*socket结构体*/
       struct addrinfo *ai_next;/*下一个指针链表*/
}

其中gethostbyname()是将主机名转化为IP地址

gethostbyaddr()则是逆操作，是将IP地址转化为主机名

另外getaddrinfo()还能实现自动识别IPv4地址和IPv6地址。

socket编程

socket编程的基本函数有socket()、bind()、listen()、accept()、send()、sendto()、recv()以及recvfrom()等，其中根据客户端还是服务端，或者根据使用TCP协议还是UDP协议，这些函数的调用流程都有所区别

socket()：用于建立一个socket连接，可指定socket类型等信息。在建立了socket连接之后，可对sockaddr或sockaddr_in结构进行初始化，以保存所建立的socket地址信息。

bind()：将本地IP地址绑定到端口号，若绑定其他IP地址则不能成功。另外，它主要用于TCP的连接，而在UDP的连接中则无必要。

listen()：在服务端程序成功建立套接字和与地址进行绑定之后，还需要准备在该套接字上接收新的连接请求。此时调用listen()函数来创建一个等待队列，在其中存放未处理的客户端连接请求。

accept()：服务端程序调用listen()函数创建等待队列之后，调用accept()函数等待并接收客户端的连接请求。它通常从由bind()所创建的等待队列中取出第一个未处理的连接请求。

connect():该函数在TCP中是用于bind()的之后的client端，用于与服务器端建立连接，而在UDP中由于没有了bind()函数，因此用connect()有点类似bind()函数的作用。

send()、recv()：分别用于发送和接收数据，可以用在TCP中，也可以用在UDP中。当用在UDP时，可以在connect()函数建立连接之后再用。

sendto()、recvfrom()：与send()和recv()函数类似，也可以用在TCP和UDP中。当用在TCP时，后面的几个与地址有关参数不起作用，函数作用等同于send()和recv()；当用在UDP时，可以用在之前没有使用connect()的情况下，这两个函数可以自动寻找指定地址并进行连接。