UNIX网络编程学习笔记

SOKET 篇（一）入门简介

什么是socket？

Socket不仅可以用于本地进程间的通信，也可以用于网络间不同主机间的通信。
Tcp/ip 协议栈已经属于内核的一部分了，应用程序是在用户空间的。

地址结构

不同主机之间通信，一定要知道相互的地址和端口号；一次连接的四个要素为：客户端ip，客户端port，服务端ip，服务端port。linux 下可以通过man 7 ip 命令查看地址结构。
ipv4地址结构：

struct sockaddr_in{
    unit8_t sin_len; // struct size 一些平台没有
    sa_family_t sin_family;   //address family: ipv4——>AF_INET
    in_port_t sin_port;    //port in network byte order 16位 
    struct in_addr sin_addr;  // iternet address
    char size_zero[8];// 保留字段
    };
utruct in_addr{
    unit32_t s_addr;
    };

ipv6将所有in字段全部改为in6即可。eg：struct sockaddr_in6;struct in6_addr sin6_addr;
通用套接字地址结构：

struct sockaddr{
    uint8_t sa_len;   //整个地址长度
    sa_family_t sa_family; // 地址簇
    char sa_data[14];//由sa_family 决定它的形式 14字节，同上面最后3项
    };

在bind等函数进行参数传递时要将套接字地址强制转换成通用套接字结构。
其中地址簇使用AF_前缀，而像后面的socket函数中domain使用PF_前缀。AF_前缀表示地址簇，PF_ 前缀表示协议簇。

字节序

• 大端字节序：最高有效位存储在最低地址处，最低有效位存储在高地址处；
• 小端字节序：最低有效位存储在最低地址处，最高有效位存储在高地址处；
• 主机字节序：不同主机有不同字节序，通常我们使用的Intel 的cpu为小端字节序，而AMD的cpu是大端；
• 网络字节序：是大端字节序。
  可以编写一个测试字节序的小函数：

int main(){
    unsigned int a = 0x12345678;
    unsigned char* b =(unsigned char*)&a;
    if(b[0] == 0x78)
        printf("little-endian");
    else
        printf("big-endian");
    return 0；
}

字节序转换

unit32_t htonl(unit32_t hostlong);
unit16_t htons(unit16_t hostshort);
unit32_t ntohl(unit32_t netlong);
unit16_t ntohs(unit16_t netshort);

上面函数名称中，h代表host，n代表network， s代表short，l代表long。
地址转换函数：

#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);//功能同inet_addr
in_addr_t inet_addr(const char *cp); // 点分ip地址转换成32位网络字节序整数
char *inet_ntoa(struct in_addr in);// 地址结构转换成点分式ip地址

套接字的类型

流式套接字(SOCK_STREAM):提供面向连接的，可靠数据传输服务,如对应于TCP协议；
数据报套接字(SOCK_DGRAM):提供面向连接的，非可靠数据报传输服务，如对应于UDP；
原始套接字(SOCK_RAM):将应用层数据直接跨越传输层直接对ip层进行封装。

socket函数

头文件:<sys/socket.h>
功能：创建套接字；
函数原型：

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

参数：其中domain表示协议簇，type表示套接字类型（SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM等），protocol表示协议。通常前两项确定了protocol也就确定了，可以设置为0。
返回值：成功返回一个非负数，代表套接字描述符（文件描述符的一种，linux中一切皆文件），简称套接字。失败返回-1。

bind函数

头文件:<sys/socket.h>
功能：绑定本机地址到socket创建的套接字；
函数原型：

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

参数： sockefd指socket函数返回的套接字；addr表示要绑定的地址（通用地址结构，ipv4要强制转换）；addrlen代表地址长度。
返回值：成功返回0，失败返回-1。

listen函数

头文件:<sys/socket.h>
功能：将socket产生的套接用于监听接入的连接，是将主动套接字变成了被动套接字。主动套接字通过connect发起连接，被动套接字通过accept接受连接。
函数原型：

int listen(int sockfd, int backlog);

参数： sockefd指socket函数返回的套接字；backlog规定内核为此套接字排队的最大连接数（即规定的是并发连接数）。
返回值：成功返回0，失败返回-1。
下面是直接从书上copy的图：

对于给定的监听套接字，内核会维护两个队列（他们之和不能超过backlog）：
1.已由客户端发送到服务端，服务器正在等待完成tcp三次握手过程；
2.已完成三次握手连接的队列，accept接收到之后，会将接收到的已完成连接从该队列删除，以便由更多的客户端发起连接。

accept函数

头文件:<sys/socket.h>
功能：从已完成连接队列中返回第一个连接，如果已完成连接队列为空，则阻塞。
函数原型：

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

参数： sockfd:服务器套接字，addr返回对等方的套接字地址，addrlen返回对等方套接字地址长度；
返回值：成功返回非负整数，失败返回-1。（返回的是主动套接字）

connect函数

头文件:<sys/socket.h>
功能：从已完成连接队列中返回第一个连接，如果已完成连接队列为空，则阻塞。
函数原型：

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

参数： sockfd服务器套接字，addr服务器套接字地址，addrlen服务器套接字地址长度；
返回值：成功返回0，失败返回-1。

简单的回射服务器

client端：

#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>


#define err_exit(m)\
    do{\
        perror(m);\
        exit(EXIT_FAILURE);\
    }while(0)
int main(void){
    int sockfd;
    if((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM,0)) < 0)
        err_exit("socket");
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    //servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    //inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
    if(connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        err_exit("connect");
    char sendbuf[1024] = {0};
    char recvbuf[1024] = {0};
    while(fgets(sendbuf,sizeof(sendbuf), stdin) != NULL){
        write(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf));
        read(sockfd, recvbuf, sizeof(recvbuf));
        fputs(recvbuf, stdout);
        memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

server端代码：

#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>


#define err_exit(m)\
    do{\
        perror(m);\
        exit(EXIT_FAILURE);\
    }while(0)
int main(void){
    int listenfd;
    if((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM,0)) < 0)
        err_exit("socket");
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    //servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    //inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
    if(bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        err_exit("bind");
    if(listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0)
        err_exit("listen");
    struct sockaddr_in peeraddr;
    socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr);//如果不初始化大小，accept会出错
    int conn;
    if((conn = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&peeraddr, &peerlen)) < 0)
        err_exit("accept");
    char buf[1024];
    int n = 0;
    while(1){
        memset(&buf, 0, sizeof(buf));
        if((n = read(conn, buf, sizeof(buf))) < 0)
            err_exit("read");
        fputs(buf, stdout);
        write(conn, buf, n);
    }
    close(listenfd);
    close(conn);
    return 0;
}

TCP客户/服务器总体流程

客户端：
创建套接字sock；
指定服务器地址与端口等信息（sockaddr_in信息）；
调用connect（）建立连接connect；
通过sock套接字进行交互。
服务端：
创建套接字listenfd；
指定本机套接字地址；
绑定本机套接字地址，调用bind（）；
监听套接字listen（），并给出最大连接数（两个队列，已完成三次握手的连接队列，和未完成队列）；
定义连接对等方的地址，并且初始化其地址长度。调用accept（）返回一个主动套接字，和对等方的套接字地址。
通过accept返回的主动套接字进行交互。

一次连接的四个要素：客户端ip、客户端port、服务端ip、服务端port。