【Linux跬步积累】—— 网络编程套接字-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/PH_modest/article/details/146155274

🌏博客主页：PH_modest的博客主页
🚩当前专栏：Linux跬步积累
💌其他专栏：
🔴 每日一题
🟡 C++跬步积累
🟢 C语言跬步积累
🌈座右铭：广积粮，缓称王！

文章目录

一、预备知识
二、socket编程接口
- socket常见API
- sockaddr结构
三、简单的UDP网络程序

一、预备知识

理解源IP地址和目的IP地址

每台主机都有自己的IP地址，如果一个台主机想要对另外一台主机发送数据，那么该主机就需要知道对端主机的IP地址，也就是目的IP地址。但是仅仅知道目的IP地址是不够的，对端主机收到数据之后，需要对其作出响应，需要知道是谁给他发送的数据，因此我们还需要知道发送方的IP地址，也就是源IP地址。因此一个传输的数据当中应该包含源IP地址和目的IP地址，源IP地址表示是谁发送的数据，目的IP地址表示发送给谁。

在数据传输之前，会先自顶向下贯穿网络协议栈完成数据的封装，其中在网络层封装的报头中就包含了源IP地址和目的IP地址。

理解源MAC地址和目的MAC地址

大部分数据传输都是跨局域网的，数据传输过程中会经过很多路由器，最终才能到达对端主机。

源MAC地址和目的MAC地址是在数据链路层被封装在报头中的，MAC地址只在当前局域网内有效，因为每经过一个路由器，就会将链路层的报头去掉，然后重新封装一个报头，此时的源MAC地址和目的MAC地址就发生了变化。

在这里插入图片描述

上图中主机1向主机2发送数据过程中，源MAC地址和目的MAC地址的变化过程。

时间轴	源MAC地址	目的MAC地址
刚开始	主机1的MAC地址	路由器A的MAC地址
经过路由器A后	路由器A的MAC地址	路由器B的MAC地址
经过路由器B后	路由器B的MAC地址	路由器C的MAC地址
经过路由器C后	路由器C的MAC地址	主机2的MAC地址

小结

数据传输的过程中是有两套地址的：

源IP地址和目的IP地址，用来确定发送方的主机以及接受方的主机，这两个地址一般是不会变的；
源MAC地址和目的MAC地址，这两个地址是一直变化的，因为经过路由器之后会进行解包和重新封装；

端口号

端口号(port)是传输层协议的内容：

端口号是一个2字节16位的整数；
端口号用来标识一个进程，告诉操作系统，当前的这个数据要交给哪一个进程来处理；
IP地址 + 端口号能够表示网络上某一台主机的某一个进程；
一个端口号只能被一个进程占用；
数据在传输层进行封装时，就会添加上对应的源端口号和目的端口号。

IP地址可以标识唯一的一台主机，端口号(port)可以表示一台主机上唯一的一个进程，因此IP + port = 网络上某一台主机的某一个进程。

理解源端口号和目的端口号

两台主机进行通信的目的不仅仅是将数据发送给对端主机，而是为了访问对端主机上的某个服务。

当我们知道了IP地址和MAC地址，就可以将数据发送给对端主机，但是如何再将数据发送给对端主机上的某个进程呢？那么我们还需要知道端口号，当我们知道源端口号和目的端口号之后，就可以知道是哪台主机的哪个进程发送的数据，以及发给哪台主机的哪个进程。这样就可以实现跨网络的进程间通信了。

理解“端口号”和“进程ID”

进程ID(PID)是用来标识系统内所有进程的唯一性，它属于系统级别的概念；而端口号(port)是用来标识需要对外进行网络数据请求的进程的唯一性，它是属于网络级别的概念。这样设计就是为了避免将系统功能和网络功能直接进行强耦合，避免一个模块改变后影响另一个模块。

比如我们每个人都有自己的身份证号码，身份证号码就可以标识我们的唯一性了，那么为什么在学校还要有学号，在公司还要有工号呢？

因为不是每个人都是学生，也不是每个人都在同一家公司，所以需要在不同场景下在设定对应的编号来表示唯一性。

所以每一个进程都有pid，但不是每个进程都有port。

socket通信的本质

我们上网无非就两种动作：
- 把远端数据拉取到本地（I）
- 把本地数据发送到远端（O）
大部分的网络通信行为都是用户触发的，在计算机中，谁表示用户呢？进程！！！
我们将数据发送到目标主机，这不是目的，而是手段。真正的目的是把数据交给这个主机上的某个服务（进程）。
服务端与客户端进行通信

==>服务端进程和客户端进程进行通信

==>服务端进程 = 服务端IP + 服务端port

客户端进程 = 客户端IP + 客户端port

==>服务端是互联网中唯一的一个进程

客户端是互联网中唯一的一个进程

==>唯一的找到彼此
所以网络通信的本质，其实就是进程间通信！两个进程间需要通信，前提条件就是要找到公共资源，这个公共资源就是网络！

我们之后要写的服务器就是应用层的代码，然后调用传输层提供的系统调用，即操作系统提供的网络系统调用。

认识TCP协议和UDP协议

TCP协议

TCP协议叫做传输控制协议（Transmission Control Protocol），TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

TCP协议是面向连接的，如果两台主机想要进行通信，就必须先建立连接，当连接建立之后才能进行数据传输。TCP协议是保证可靠性的协议，当传输过程中如果发生了丢包、乱序等情况，TCP协议都有对应的解决办法。

UDP协议

UDP协议叫做用户数据报协议（User Datagram Protocol），UDP协议是一种无序建立连接的、不可靠的、面向数据报的传输层通信协议。

UDP协议进行通信时无需建立连接，两台主机如果想要进行数据传输，直接将数据发送给对端主机即可，但这意味着UDP协议是不可靠的，如果传输过程中发生了丢包、乱序等情况，UDP协议是不知道的，无法解决。

为什么UDP协议不可靠还会一直存在？

TCP协议可靠，那么也就意味着底层的实现更加复杂，接口会更加多一点，使用成本比较高；而UDP虽然不可靠，但一定更加简单，使用起来更加方便。

所以采用TCP协议还是UDP协议取决于上层的应用场景。如果应用场景严格要求数据在传输过程中的可靠性，此时我们就必须采取TCP；如果应用场景允许出现少量的丢包，那么优先使用UDP，因为足够简单。

网络字节序

计算机在存储数据时，是有大小端的概念的：

大端存储：数据的低字节内容存储在高地址处，数据的高字节内容存储在低地址处。
小端存储：数据的低字节内存存储在低地址处，数据的高字节内容存储在高地址处。

为了保证数据能够正常被获取，网络字节序列统一以大端为主。

为了使网络程序具有可移植性，使用样的C代码在大端和小端机器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);
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；
例如htonl表示将32位的长整数从主机字节序转换成网络字节序，例如将IP地址转换后准备发送；
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编程接口

socket常见API

//创建socket文件描述符（TCP/UDP，客户端 + 服务器）
int socket(int domain,int type,int protocol);

//绑定端口号（TCP/UDP，服务器）
int bind(int socket,const struct sockaddr *address,socklen_t address_len);

//开始监听socket（TCP，服务器）
int listen(int socket,int backlog);

//接收请求（TCP,服务器）
int accept(int socket,struct sockaddr* address,socklen_t* address_len);

//建立连接（TCP，客户端）
int connect(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

sockaddr结构

socket编程，是有不同种类的，有的是专门用来进行本地通信的（Unix socket），有的是用来专门进行跨网络通信的（inet socket），有的是用来进行网络管理的（raw socket）。为了能让用户减少使用的成本，我们就需要把所有的接口进行统一，于是就使用C语言进行编写，要统一这个接口还需要统一数据类型，于是就有了struct sockaddr。

在这里插入图片描述

通过struct sockaddr来管理struct sockaddr_in和struct sockaddr_un,struct sockaddr_in结构体是用来跨网络通信的，而struct sockaddr_un结构体是用来本地通信的。

为了让网络通信和本地通信能够使用同一套函数接口，于是就出现了sockaddr结构体，这三个结构体都不相同，但是这三个结构体的头部字段都是16位地址类型，当我们想进行网络通信时，就传递AF_INET，想进行本地通信，就传递AF_UNIX。这样就可以通过sockaddr来管理网络通信和本地通信了。

三、简单的UDP网络程序

socket函数

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

功能：

创建套接字的通信。

参数：

domain：选择协议的类型，如果是本地通信就是AF_UNIX；网络通信就是AF_INET。
type：创建套接字时的服务类型。如果是UDP，我们采用SOCK_DGRAM，叫做用户数据报服务；如果是TCP，我们采用SOCK_STREAM，叫做流式套接字，提供的是流式服务。
protocol：套接字的协议类别，可以指明为TCP或者UDP，一般设置为0即可。

返回值：

创建成功返回一个文件描述符，所以当我们使用socket创建套接字成功时，就相当于我们打开了网卡（网络文件）。
创建失败返回-1，同时错误码会被设置。

使用示例：

int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);

bind函数

 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
 #include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

功能：

将文件和网络关联起来。

参数：

sockfd：文件描述符。
addr：网络相关的属性信息，类似于一个结构体，里面包含了：协议家族、IP地址、端口号。
addrlen：结构体addr的长度

返回值：

成功返回0。
失败返回-1，设置错误码。

使用示例：

int n = bind(_sockfd,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));

bzero函数

#include <strings.h>

void bzero(void *s, size_t n);

功能：

用于将一块内存空间清零，通常用于初始化内存。

参数：

s：指向要清零的内存区域的指针。
n：要清零的字节数。

返回值：空。

使用示例：

struct sockaddr_in local;
bzero(&local,sizeof(local));

inet_addr函数

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

in_addr_t inet_addr(const char *cp);

功能：

将字符串风格的点分十进制的IP地址转成4字节IP
将主机序列转成网络序列

参数：

目标字符串，也就是字符串类型的IP地址

返回值：

in_addr_t类型

使用示例：

local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());

代码初步演示

`UdpServer.hpp`

#pragma once
#include<iostream>
#include<cstdlib>
#include<strings.h>
#include<string>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
//echo server -> client -> server
enum
{
   
    SOCKET_ERROR = 1,
    BIND_ERROR,
    USAGE_ERROR,
};

const static int defaultfd = -1;

class UdpServer
{
   
public:
    UdpServer(const std::string &ip,uint16_t port):_sockfd(defaultfd),_ip(ip),_port(port),_isrunning(false)
    {
   }
    void InitServer()
    {
   
        //1. 创建udp socket 套接字 —— 必须要做的 —— 可以理解成将网卡打开了
        _sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
        if(_sockfd < 0<