Linux下多任务编程（网络编程）

前言

        本文记录OSI7层模型、TCP\IP模型、socket在UDP、TCP使用。

网络

        网络：多个计算机之间相互通信
        网络协议：多个计算机之间通信用的语言（是有一定规范的）

OSI 7层模型

        应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层

面向应用	应用层	应用程序：FTP、E-mail、Telnet
面向服务	表示层	数据格式定义、数据转换/加密
	会话层	建立通信进程的逻辑名字与物理名字之间的联系
面向通信	传输层	差错处理/恢复，流量控制，提供可靠的数据传输
通信子网	网络层	数据分组、路由选择
	链路层	数据组成可发送、接收的帧
	物理层	传输物理信号、接口、信号形式、速率

TCP/IP协议

        四层（IBM公司推出的）

应用层	http：超文本传输协议 ftp：文件传输协议 smtp：简易邮件传输协议 dhcp：动态ip分配协议 dns：域名解析协议（www.baidu.com->192.168.11.111）
传输层	TCP：流式套接字 UDP：数据报套接字，可靠，但是慢
网络层	ip：网络层最重要的协议（IPV4、IPV6） icmp：ping命令使用的协议（判断对方是否在线） arp：地址解析协议（ip地址转换成物理地址）
网络接口层	ether（以太网）：常用的所有物理介质（网线、WIFI）

        基于TCP协议：http、ftp、smtp 保证数据不能丢失，允许慢一些。 
        基于UDP协议：dhcp、dns 数据可以丢，但是快

查看ip地址和物理地址的记录
arp -a

        物理地址（mac）：网卡出厂时，自带编号，不可更改
        IP地址：由路由器分配的唯一标识，连接上不同的网络，IP地址也会发生改变

交换机和路由器的区别（重点）

        交换机：根据mac地址（物理地址）进行数据的交换，不能分配ip地址，仅限于局域网使用。
        路由器：根据IP地址进行数据的交互，能分配ip地址，作用于互联网和局域网。

网络管理相关命令（重点）

       （1） 查看ip地址

ifconfig

        （2）nc 模拟服务器

TCP通信
启动服务器
nc -l 8888
启动客户端
nc 127.0.0.1 8888 （整数1-65535之间）

UDP通信
启动接收端
nc -ul 9999
启动发送端
nc -u 127.0.0.1 9999

Linux下的网络编程

IP地址的存储方式

        （1）点分制        192.168.1.111        每个数的取值范围是0-255
        （2）整数形式        0xc0a8016f

sizeof("192.168.1.111");    //14个字节
sizeof(0xc0a8016f);         //4个字节

        区别：点分制可读性强，占用空间大；整数形式可读性差，占用空间小。

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： 将点分制（字符串）的IP地址转成整数的IP地址

        参数：点分制（字符串）的IP地址

        返回值：整数的IP地址

大端序和小端序

        大端序（网络字节序）：低地址存高字节，高地址存低字节；
        小端序：低地址存低字节，高地址存高字节。

验证操作系统采用的是小端序还是大端序

指针方式验证

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int a = 0xc0a8016f;
    char *p = (char *)&a;
    printf("%02x %p\n", *p, p);
    printf("%02x %p\n", *(p+1), p+1);
    printf("%02x %p\n", *(p+2), p+2);
    printf("%02x %p\n", *(p+3), p+3);
    return 0;
}

6f 0x7ffcbc0fde7c
01 0x7ffcbc0fde7d
a8 0x7ffcbc0fde7e
c0 0x7ffcbc0fde7f
验证之后我的主机是小端序

 共用体方式验证

union addr
{
    int a;
    char b[4];
};
int main(int argc, char const *argv[])
{
    union addr num;
    num.a = 0xc0a8016f;
    printf("%x\n",num.b[0]);
    return 0;
}

网络字节序和主机字节序

 h：host 主机        to：转        n：network 网络        l：long 四字节        s：short 二字节

htonl	主机转网络，转四字节变量
htons	主机转网络，转二字节变量
ntohl	网络转主机，转四字节
ntons	网络转主机，转二字节

端口号 

         区分一台电脑上的应用程序的，也就是网络数据包应该给哪个应用。同一台电脑上，同一个端口号在同一时刻只能被一个应用程序绑定。

        一些有固定端口号的应用
        ftp        21
        http        80
        dns        53
        dhcp        67

        端口号（1-65535），1-1024分配给一些固定的服务

Socket 编程

        套接字编程，也叫网络编程，进程间通信中唯一一个可以跨主机的通信

UDP通信

        传输速度快，但是不可靠
        应用：局域网，对数据的实时性要求较高的互联网

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

        参数1：族协议 通常为AF_INET（ipv4）
        参数2：SOCK_DGRAM 使用UDP Socket
                     SOCK_STREAM 使用TCP Socket
        参数3：网络层协议，为0即可

        返回值：≥0 Socket的文件描述符（open的返回值类似），＜0 出错

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    //int socket(int domain, int type, int protocol);
    int sock_fd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    printf("%d\n",sock_fd);
    close(sock_fd);
    return 0;
}

接收端 

bind函数

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

recvfrom函数

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

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 1.创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    // 2.绑定自己的IP地址和端口号
    struct sockaddr_in myaddr;
    myaddr.sin_family = AF_INET;
    myaddr.sin_port = htons(8888);
    myaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&myaddr, sizeof(struct sockaddr));
    // 3.接收数据
    char buf[128];
    struct sockaddr_in your_addr;
    int len = sizeof(your_addr);
    recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&your_addr, &len);
    printf("buf is %s\n", buf);
    // 4.关闭
    close(sockfd);
    return 0;
}

发送端 

sendto函数

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

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 1.创建Socket
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    // 2.指定对方的ip地址和端口号
    struct sockaddr_in your_addr;
    your_addr.sin_family = AF_INET;
    your_addr.sin_port = htons(8888);
    your_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    // 3.发送数据
    char buf[128] = "hello";
    sendto(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&your_addr, sizeof(your_addr));
    // 4.关闭
    close(sockfd);
    return 0;
}

 

 TCP通信

        可靠，但是慢

        完成可靠的方法：
        （1）发送之前，先建立连接；
        （2）发送时，有应答机制，如果中间数据丢失，会重新发送。

TCP通信流程

服务器端

socket函数（略）

bind函数（略）

listen函数

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

        设置最大监听数（设置最大同时连接数）：指正在连接的客户端，已经建立连接的客户端（在接收数据的客户端）不算在内。

        参数1：socket的返回值
        参数2：设置的最大监听数

accept函数

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

        阻塞等待客户端的连接

        参数1：socket的返回值；
        参数2：连接的客户端的ip地址和端口号的结构体的地址（一般为NULL，代表不关心，和recvfrom的最后两个参数一样）；
        参数3：结构体长度的地址（一般为NULL）。

        返回值：newfd代表这个链接成功客户端的连接通道的编号；后续与这个客户端进行通信时，使用newfd。

send函数

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

        发送数据，如果无人发数据，则阻塞等待数据的发送

        参数1：accept函数的返回值
        参数2：发送数据的首地址
        参数3：缓存区长度
        参数4:0

        返回值：大于0 实际接收数据的长度；≤0 连接断开

实例代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 1.创建socket
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 2.绑定IP地址和端口号
    struct sockaddr_in myaddr;
    myaddr.sin_family = AF_INET;
    myaddr.sin_port = htons(8888);
    myaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&myaddr, sizeof(myaddr));
    // 3.设置最大监听数
    listen(sockfd, 5);
    // 4.阻塞等待客户端的连接
    int newfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
    // 5.接收
    char buf[128] = {0};
    ret = recv(newfd, buf, sizeof(buf), 0);
    printf("ret %d ,buf is %s\n", ret, buf);
    // 6.关闭
    close(newfd);
    close(sockfd);
    return 0;
}

客户端

1.创建socket

2.指定对方的ip地址和端口号

struct sockaddr_in client_addr;
client_addr.sin_family = AF_INET;
client_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
client_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);

3.连接客户端

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

        参数1：socket返回值
        参数2：结构体地址
        参数3：结构体长度

        返回值：0 成功，-1 失败

4.收发数据

        客户端只能连接一个服务器，所以没有newfd，所以recv/send的第一个参数用socket返回值

5.关闭close

实例代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 1.创建socket套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 2.指定对方的ip地址和端口号
    struct sockaddr_in your_addr;
    your_addr.sin_family = AF_INET;
    your_addr.sin_port = htons(8888);
    your_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    // 3.连接
    int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&your_addr, sizeof(your_addr));
    // 4.收发数据
    char buf[128] = {0};
    scanf("%s", buf);
    send(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
    // 5.关闭
    close(sockfd);
    return 0;
}

循环服务器

缺点：
        （1）newfd会被覆盖
        （2）accept和recv 会互相阻塞

        A客户端连接成功后，accept解除阻塞，代码运行到recv，等待A客户端发送的数据；若A一直不发送数据，会recv处一直阻塞，无法运行到accept，其它客户端无法进行连接。

TCP和UDP通信的区别