Linux下Socket编程基础

什么是socket

一、Socket编程概述

Socket是网络通信的端点抽象，如同现实世界中的电话插座，一个人想要用电话，肯定需要把插头插到插座中，而在网络上你想跟其他节点通信，也需要将socket这个插头插进网络中。在Linux系统中，socket表现为一个int类型的文件描述符，我们完全可以把其当作一个文件，对其执行读取写入等操作。

二、从网络模型开始看socket

1. TCP/IP四层模型

层级	协议示例	核心功能	典型设备/实现
应用层	HTTP/FTP/SMTP	应用程序间通信规范	浏览器、邮件客户端
传输层	TCP/UDP	端到端可靠传输、流量控制、拥塞控制	Socket API
网络层	IP/ICMP	逻辑寻址、路由选择、分组转发	路由器
网络接口层	Ethernet/Wi-Fi	物理传输、MAC地址管理	网卡/交换机

2. Socket的跨层特性

socket横跨传输层和应用层两个层级

• 向上，为应用层提供文件描述符的接口
• 向下，对接TCP/UDP的协议栈

socket编程

一、主机字节序和网络字节序

• 我们都知道字节序分为大端字节序和小端字节序，而如果我们在两台使用不同字节序的主机之间进行直接通信，那么接收端必定将其错误解释。
• 解决方法：发送端将数据转化为大端字节序然后发送，然后接收端根据自身采用的字节序来判断是否需要对数据进行转换，因此大端字节序也被称为网络字节序号。
• linux提供的四个字节序转换函数，函数最后的s和l分别代表short和long：

函数名	功能描述	示例
htons()	16位主机字节序转网络字节序	8888 → 0x22B8
ntohs()	16位网络字节序转主机字节序	0x22B8 → 8888
htonl()	32位主机字节序转网络字节序	8888 → 0x22B8
ntohl()	32位网络字节序转主机字节序	0x22B8 → 8888

• 另外还有两个ip地址转换函数

函数名	功能描述	示例
inet_addr()	点分十进制转32位网络字节序	“127.0.0.1” → 0x7f000001
inet_ntoa()	32位网络字节序转点分十进制	0x7f000001 → “127.0.0.1”

二、核心流程对比

服务器端步骤	客户端步骤
1. 创建socket	1. 创建socket
2. 绑定地址和端口	2. 设置服务器地址
3. 监听端口	3. 发起连接请求
4. 接受客户端连接
5. 进行数据通信	4. 进行数据通信

三、关键函数与代码解析

1. 创建Socket

这一步的目的是创建socket的文件描述符，相当于创建文件，但是文件的路径等其他信息我们并没有指定。

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

• 参数解析：
  • AF_INET: IPv4地址族（32位地址+16位端口），常用可选参数还有AF_INET6(IPv6协议族)
  • SOCK_STREAM: 面向连接的可靠传输（TCP），常用可选参数还有SOCK_DGRAM,这表示传输层使用UDP协议。
  • 0: 自动选择协议（TCP/UDP），即根据前面两个参数自动确定。
• 返回值：成功返回≥3的整数（0/1/2被标准输入输出占用）

2. 地址结构初始化

创建完文件描述符后，我们需要初始化socket的地址结构，也就是表明文件的路径。因为通用结构体并不好用，比如获取ip地址和端口号就要进行繁琐的位操作，这里我们使用的socket地址结构是IPv4专用结构体sockaddr_in。

struct sockaddr_in serv_addr;
bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));  // 清空结构体
serv_addr.sin_family = AF_INET;        // 地址族
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // IP转换
serv_addr.sin_port = htons(8888);      // 端口转换

• sockaddr_in结构体：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family;  // 地址族（2字节）
    in_port_t      sin_port;    // 端口号（2字节）
    struct in_addr sin_addr;    // IPv4地址（4字节）
};

struct in_addr {
    uint32_t s_addr; // 网络字节序的32位地址
};

• 字节序转换：
  • htons(): Host to Network Short（16位端口）
  • inet_addr(): 点分十进制转32位网络字节序
• 参数解析
  • AF_INET:指定结构体的地址族，因为我们使用的是IPv4专用socket地址，故而这里只能填AF_INET
  • inet_addr("127.0.0.1")：将点分十进制转化为网络字节序。赋值ip地址，否则通信另一方无法发现主机。
  • htons(8888)：将主机字节序转换为网络字节序。赋值端口，否则通信另一方无法找到通信程序。

3. 绑定地址

将文件描述符和socket地址进行绑定。

bind(sockfd, (sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

• 参数解析：
  • sockfd:需要绑定的文件描述符。
  • (sockaddr*)&serv_addr：sockaddr_in（专用）转sockaddr（通用），需要绑定的socket地址。
  • sizeof(serv_addr):socket地址长度。

4. 监听端口

listen(sockfd, SOMAXCONN);

• 参数解析：
  • sockfd：需要监听的文件描述符。
  • SOMAXCONN：表示已完成连接队列的最大长度，一般直接用SOMAXCONN即系统定义的最大值

5. 接受连接

当listen监听到客户端想要connect的请求时，可以用accept函数接受这个连接，即获得客户端文件描述符。

struct sockaddr_in clnt_addr; //存储接收到的客户端的socket地址
socklen_t clnt_addr_len = sizeof(clnt_addr);// 计算客户端地址的长度，方便传入指针。
int clnt_sockfd = accept(sockfd, (sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_len);//接受客户端文件描述符，以及将其和客户端socket地址绑定。

• 差异：需要注意的是accept函数和bind函数中的参数类型基本一致，只是第三个参数需要传递指针。
• socklen_t：
  • 本质：typedef unsigned int socklen_t
  • 作用：表示socket地址结构的长度
  • 特殊行为：
    • 在accept()中作为值-结果参数（value-result argument）
    • 输入时指定缓冲区大小，输出时返回实际地址长度

6. 客户端连接

运行在客户端上的函数，connect服务端上的listen函数，参数和bind函数并无不同

connect(sockfd, (sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

三、代码示例

请注意，因为是示例代码，我并没有加入错误报告函数，但是这在socket编程中十分重要。

服务端代码 (server.cpp):

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8080
#define BUF_SIZE 1024

using namespace std;

int main() {
    int serverSocket, clientSocket;
    sockaddr_in serverAddr, clientAddr;
    socklen_t clientAddrLen = sizeof(clientAddr);
    char buffer[BUF_SIZE];

    // 创建socket
    serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 配置服务器地址
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); 
    ser_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定socket
    bind(serverSocket, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));

    // 开始监听
    listen(serverSocket, SOMAXCONN);

    cout << "Server listening on port " << PORT << "..." << endl;

    // 接受客户端连接
    clientSocket = accept(serverSocket, (struct sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);

    cout << "Client connected!" << endl;

    // 接收客户端数据
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = recv(clientSocket, buffer, BUF_SIZE, 0)) > 0) {
        buffer[bytesRead] = '\0'; // Null-terminate the received data
        cout << "Received from client: " << buffer << endl;

        // 发送回应
        send(clientSocket, "Message received", 17, 0);
    }

    // 关闭socket
    close(clientSocket);
    close(serverSocket);

    return 0;
}

客户端代码 (client.cpp):

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8080
#define BUF_SIZE 1024

using namespace std;

int main() {
    int clientSocket;
    sockaddr_in serverAddr;
    char buffer[BUF_SIZE];

    // 创建socket
    clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 配置服务器地址
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    serverAddr.sin_port = htons(PORT);

    // 连接到服务器
    connect(clientSocket, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));

    cout << "Connected to server!" << endl;

    // 发送数据到服务器
    string message = "Hello, Server!";
    send(clientSocket, message.c_str(), message.length(), 0);

    // 接收服务器的回应
    int bytesReceived = recv(clientSocket, buffer, BUF_SIZE, 0);
    if (bytesReceived > 0) {
        buffer[bytesReceived] = '\0'; // Null-terminate the received data
        cout << "Received from server: " << buffer << endl;
    }

    // 关闭socket
    close(clientSocket);

    return 0;
}

编译与运行：

1. 编译代码：

   g++ server.cpp -o server
   g++ client.cpp -o client
   

2. 运行服务端：

   ./server
   

3. 运行客户端：

   ./client