【Linux】socket网络编程基础知识

最新推荐文章于 2025-06-22 23:24:25 发布

TIGER1693

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分类专栏： linux 文章标签： linux socket

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本文介绍了Linux网络编程的基础知识，包括argc!=2的含义、inetpton函数使用、socket编程接口（如socket(), bind(), listen(), accept(), connect(), write(), send(), recv(), close()）以及C/S结构实例。涉及网络协议、套接字通信流程和相关技术如IP地址转换、sockaddr数据结构等。

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前言

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版权声明：本文为优快云博主「SogK1997」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.youkuaiyun.com/dive668/article/details/119164392
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本博文是对大作业的预热，此次大作业涉及到Linux课程第十章：网络编程的相关知识，因此着重以老师PPT上的内容为要，进行代码编写。以C/C++为主。

argc !=2是什么意思

What does argc mean? [duplicate]

argc是参数的数量，并且argv是一个字符串数组。
程序本身是第一个参数argv[0]，因此argc总是至少为 1。
那么，argc是2当程序使用一个命令行参数运行。如果它不带参数运行，或者超过一个参数，argc != 2则为真，因此将打印使用消息“Usage: display_image ImageToLoadAndDisplay”，告诉用户如何正确运行它。

inet pton函数

inet_pton()和inet_ntop()函数详解

对stdin，stdout 和STDOUT_FILENO，STDIN_FILENO的学习

基础知识

10.1 网络协议与体系结构

在这里插入图片描述
五层协议体系结构中各层的功能分别如下：

应⽤层为应用进程提供服务，定义了应⽤进程间通信和交互的规则。
传输层为应用进程提供连接服务，实现连接两端进程的会话。
网络层为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
数据链路层可简称为链路层，该层将从网络层获取的IP数据报组装成帧，在网络结点之间以帧为单位传输数据。
物理层以比特为单位传输数据，该层定义了与网络相关的硬件的规范，如表示“0”、“1”电压的电压数值、硬件连接方式等。
协议通常都由如下几个部分组成：
（1）待交互数据的结构和格式；
（2）进行交互的方式，包括数据的类型、对数据的处理动作等；
（3）事件实现顺序的说明。

体系结构中各层的实现建⽴在其下⼀层所提供的服务上，并向其上层提供服务

10.2 socket编程基础

socket本意为“插座”，常被称为套接字，当使用socket进行通讯时，进程会先生成一个socket⽂件，之后再通过socket⽂件进行数据传递。
在TCP/IP协议族中，使用IP地址和端口号可以唯一标识网络中的⼀个进程。
在这里插入图片描述
socket接口位于应⽤层与TCP/IP协议族之间，是基于软件的抽象层。

Linux系统中常用的socket网络编程接口有socket()、bind()、listen()、accept()、connect()、send()、recv()、close()，其中

connect为客户端专用接口，
bind()、listen()、accept() 为服务器端专用接口，
socket()与close()则由服务器与客户端共用。

10.3 socket编程接口

socket()

socket()函数存在于函数库sys/socket.h中，其声明如下：

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

socket()函数用于创建套接字，也可以说socket()函数用于打开网络通讯端口，该函数类似于文件操作中的open()函数，若调用成功，也返回⼀个文件描述符，之后应用程序可以采用socket通信中的读写函数在网络中收发数据；若调用失败会返回-1，并设置errno。
参数domain用于选择通信时的协议族。常网设置为：

AF_INET：⽹络通信
AF_UNIX：本地通信
这些协议族都在头文件sys/socket.h中定义。

参数type用于指定socket的连接类型，其常用取值分别为：

SOCK_STREAM：TCP协议
SOCK_DGRAM：UDP协议
SOCK_RAW：ICMP协议

参数protocol⼀般设置为0，表示使用默认协议。

bind()

bind()函数存在于函数库sys/socket.h中，其声明如下：

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

bind()函数的功能为：使服务器端的一个socket⽂件与网络中的⼀个进程进行绑定，因为文件描述符可标识socket⽂件，“主机名+端口号”可标识网络中的唯⼀进程，因此bind()函数实际上是将服务器端的socket⽂件与网络中的进程地址进行绑定。
参数sockfd指代socket文件的文件描述符，⼀般由socket()函数返回；
参数addr指代需要与服务器进行通信进程的地址，其本质为struct sockaddr结构体类型的指针，struct sockaddr结构体的类型定义如下：

struct sockaddr {
sa_family_t sa_family;
char sa_data[14]; //进程地址
}

addrlen表示参数addr的长度，实质上addr参数可接受多种协议的结构体，⽽这些结构体的长度各不相同，因此需使⽤参数addrlen额外指定结构体长度。

定义⼀个struct sockaddr_in类型的结构体可以使用如下方法：

struct sockaddr_in servaddr; //结构体定义
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); //结构体清零
servaddr.sin_family = AF_INET; //设置地址类型为AF_INET
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //设置⽹络地址为INADDR_ANY
servaddr.sin_port = htons(85); //设置端⼜号为85

listen（）

listen()函数存在于函数库sys/socket.h中，其声明如下：

int listen(int sockfd, int backlog);

listen()函数仍用于服务器端，从字面上看，其功能为使已绑定的socket监听对应客户端进程状态，但实际上，该函数用于设置服务器同时可建立的连接的数量。

参数sockfd表示socket⽂件描述符
参数backlog用于设置请求队列的最大长度
listen()函数若调用成功则返回0，表示监听成功；否则返回-1，并设置errno。

accept（）

accept()函数存在于函数库sys/socket.h中，其声明如下：

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

accept()函数在listen()函数之后使用，其功能为阻塞等待客户端的连接请求。
当传输层使用TCP协议时，服务器与客户端在创建连接前，会先经过三次握手机制测试连接，三次握手完成后，服务器调用accept()函数处理连接请求，此时若还没有客户端的请求到达，便阻塞等待调用accept()函数的进程，直到接收到客户端发来的请求，且服务器中已创建的连接数未达到backlog，accept()函数才会返回，并传出客户端的地址。

connect()

connect()函数存在于函数库sys/socket.h中，其声明如下：

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

connect()函数用于客户端，该函数的功能为向服务器发起连接请求。 connect()函数的参数与bind()函数中参数的形式⼀致，区别在于bind()中的参数为客户端进程地址，而connect的参数为服务器端地址。
connect()函数调用成功则返回0，否则返回-1，并设置errno。

write()

函数定义：

ssize_t write (int fd, const void * buf, size_t count);

write()会把参数buf所指的内存写入count个字节到参数放到所指的文件内。write成功返回，只是buf中的数据被复制到了kernel中的TCP发送缓冲区。至于数据什么时候被发往网络，什么时候被对方主机接收，什么时候被对方进程读取，系统调用层面不会给予任何保证和通知。
write在什么情况下会阻塞？当kernel的该socket的发送缓冲区已满时。
对于每个socket，拥有自己的send buffer和receive buffer。从Linux 2.6开始，两个缓冲区大小都由系统来自动调节（autotuning），但一般在default和max之间浮动。已经发送到网络的数据依然需要暂存在send buffer中，只有收到对方的ack后，kernel才从buffer中清除这一部分数据，为后续发送数据腾出空间。
接收端将收到的数据暂存在receive buffer中，自动进行确认。但如果socket所在的进程不及时将数据从receive buffer中取出，最终导致receive buffer填满，由于TCP的滑动窗口和拥塞控制，接收端会阻止发送端向其发送数据。这些控制皆发生在TCP/IP栈中，对应用程序是透明的，应用程序继续发送数据，最终导致send buffer填满，write调用阻塞。
返回值：如果顺利write()会返回实际写入的字节数。当有错误发生时则返回-1，错误代码存入errno中。

send()

send()函数函数存在于函数库sys/socket.h中，其声明如下：

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

该函数用于向处于连接状态的套接字中发送数据，
若调用成功都返回0，否则返回-1，并设置errno。

参数sockfd表示接收端的socket⽂件描述符；
参数buf为指向要发送数据的缓冲区指针；
参数len表示缓冲区buf中数据的长度；
参数flags表示调用的执行方式（阻塞/非阻塞），当flags设置为0时，可使用之前学习的write()函数替代send()函数。

Linux系统中还提供了sendto()函数和sendsg()函数，这两个函数不但能发送数据给已连接的套接字，还可向未连接的套接字发送数据。

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

sendto()函数中的前4个参数与send()函数的参数相同，之后的参数dest_addr和addrlen分别用于设置接收数据进程的地址和地址的长度；
sendmsg()函数中的第⼆个参数msg为struct msghdr类型的结构体指针，该参数用于传入目标进程的地址、地址的长度等信息。

函数send()、sendto()、sendmsg()调用成功并不表示接收端套接字⼀定会接收到发送的数据。

recv()

recv()函数存在于函数库sys/socket.h中，其声明如下：

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

该函数用于从已连接的套接字中接收信息，若调用成功则返回读到的字节数，否则返回-1，并设置errno。
此外，read()函数、recvfrom()函数和recvmsg()函数也用于接收信息。

close()

close()函数用于释放系统分配给套接字的资源，该函数即文件操作中常用于关闭文件的函数，存在于函数库unistd.h中，其声明如下：

int close(int fd);

close()函数中的参数fd为文件描述符，当其用于scoket编程中时，需传⼊socket⽂件描述符。该函数调用成功则返回0，否则返回-1，并设置 errno。

10.4 socket通信流程

在这里插入图片描述

10.5 相关的知识

网络序字节

若将数据的高字节保存在内存的低地址，将数据的低字节保存在内存的高地址，这种存放方式称为大端模式；相反就是小端模式。

网络数据流：大端模式
计算机：大端/小端模式
Linux系统中提供了⼀些用于字节序转换的函数，这些函数存在于函数库arpa/inet.h中，它们的定义如下：

uint32_t htonl(uint32_t hostlong); 
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

IP地址转换函数

标准的IPv4格式的地址，但这种格式是为了方便用户对其进行操作，若要使计算机能够识别，需先将其转换为二进制格式。
早期Linux系统中常使⽤以下函数来转换IP地址：

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);  in_addr_t inet_addr(const char *cp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

但以上函数只能处理IPv4的ip地址，且它们都是不可重⼊函数。
如今Linux编程中常⽤inet_pton()和inet_ntop()来转换IP地址，这两个函数不但能转换IPv4格式的地址in_addr，还能转换IPv6格式的地址in_addr6，它们存在于函数库arpa/inet.h中，函数定义如下：

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

sockaddr数据结构

IPv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中:

IPv4地址用结构体sockaddr_in表示，该结构体中包含16位的端口号和32位的IP地址；
IPv6地址用结构体sockaddr_in6表示，该结构体中包含16位的端口号、128位的IP地址和⼀些控制字段；
Unix Domain Socket的地址格式定义在sys/un.h中，用结构体sock_addr_un表示
bind()、accept()、connect()等函数的参数应该设计成void *类型，以便接收各种类型的指针，但是sock API的实现早于ANSI C标准化，那时还没有void *类型，因此这些函数的参数都用struct sockaddr *类型表示，在传递参数之前要进行强制类型转换，例如：

struct sockaddr_in servaddr;
bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

10.6 socket本地进程通信

socket原本是为网络通讯设计的，但后来在socket框架的基础上发展出了⼀种IPC（进程通信）机制，即UNIX Domain Socket，专门⽤来实现使⽤socket实现的本地进程通信。
本地通信的流程与使⽤的接口与基于TCP协议的网络通信模型相同，其大致流程如下：
1.调⽤socket()函数通信双方进程创建各⾃的socket⽂件；
2.定义并初始化服务器端进程的地址，并使用bind()函数将其与服务器端进程绑定；
3.调用listen()函数监听客户端进程请求；
4.客户端调用connect()函数，根据已明确的客户端进程地址，向服务器发送请求；
5.服务器端调⽤accept()函数，处理客户端进程的请求，若客户端与服务器端进程成功建⽴连接，则双方进程可开始通信；
6.通信双方以数据流的形式通过已创建的连接互相发送和接收数据，进行通信；
7.待通信结束后，通信双方各自调用close()函数关闭连接。

与socket网络通信不同的是，在本地通信中用到的套接字的结构体类型为socket sockaddr_un。

实例：编写C/S结构的程序，分别创建服务器和客户端，客户端发送字符串，服务器端处理并返回

题目

编写C/S结构的程序，分别创建服务器和客户端。
客户端的功能是从终端获取⼀个字符串发送给服务器，然后接收服务器返回的字符串并打印；服务器的功能是从客户端发来的字符，将每个字符转换为⼤写再返回给客户端。
要求使⽤TCP协议实现。

参考文档

socket编程在windows和linux下的区别

windows下linux下socket编程区别

`tcpclient_linux`代码

/*
 * @Description: 
 * @Author: dive668
 * @Date: 2021-07-28 22:39:28
 * @LastEditTime: 2021-07-29 10:09:54
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666
int main(int argv,char *argv[])
{
    struct sockaddr_in servaddr; //定义通信进程的地址
    char buf[MAXLINE]; //定义缓冲区，用于存放数据
    int sockfd,n; //创建两个socket的文件描述符
    char *str; //定义用户字符输入
    if(argc!=2) //如果参数数量不为2，即没有带一个参数运行此程序
    {
        fputs("usage:./client message\n",stderr);
        exit(1);
    }
    str=argv[1]; //第一个字符参数赋值给str
    sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//地址类型为AF_INET，连接为TCP，采用默认协议
    //用于打开网络通讯端口，调用成功则返回一个文件描述符，调用失败则返回-1
    bzero(&servaddr,sizeof(servaddr)); //结构体清零
    servaddr.sin_family=AF_INET; //设置地址类型为AF_INET
    inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&servaddr.sin_addr);
    servaddr.sin_port=htons(SERV_PORT); //设置端口号为宏定义的端口SERV_PORT
    connect(sockfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr));
    //用于客服端，向服务器端发送请求，类似于bind,调用成功则返回0，否则返回-1
    send(sockfd,str,strlen(str),0);
    //向处于连接状态的套接字中发送数据
    //connfd为接收端的socket⽂件描述符
    //buf为要发送的缓冲区中的数据长度
    //flag表示调用的执行方式，设为0则可用write代替send函数
    n=recv(sockfd,buf,MAXLINE,0);
    //从已连接的套接字中接收信息，若调用成功则返回读到的字节数
    printf("Response from setver:\n");
    write(STDOUT_FILENO,buf,n);
    //write把buf指定的内存写入n个字节，放入到指定的socket文件内
    close(sockfd);
    return 0;
}

`tcpserver_linux`代码

/*
 * @Description: 
 * @Author: dive668
 * @Date: 2021-07-29 09:22:52
 * @LastEditTime: 2021-07-29 09:49:25
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
''' 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
'''
#define MAXLINE 80
#define SERV_PROT 6666
int main(void)
{
    struct sockaddr_in servaddr,cliaddr; //定义通信进程的地址
    socklen_t cliaddr_len; //定义addr的长度
    int listenfd,connfd; //创建两个socket的文件描述符
    char buf[MAXLINE]; 
    char str[INET_ADDRSERLEN];
    int i,n;
    listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STEAM,0); 
    //用于打开网络通讯端口，调用成功则返回一个文件描述符，调用失败则返回-1
    bzero(&servaddr,sizeof(servaddr)); //结构体清零
    servaddr.sin_family=AF_INET; //设置地址类型为AF_INET
    servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); //设置⽹络地址为INADDR_ANY
    servaddr.sin_port=htons(SERV_PROT); //设置端口号为宏定义的端口6666
    bind(listenfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)); //将socket文件与进程绑定
    listen(listenfd,20); //设置服务器可建立连接的数量为20
    printf("Accepting connections...\n");
    while(1)
    {
        cliaddr_len=sizeof(cliaddr);
        connfd=accept(listenfd,(struct sockaddr *)&cliaddr,&cliaddr_len); //处理客户端连接请求
        n=recv(connfd,buf,MAXLINE,0); //从已连接的套接字中接收信息，若调用成功则返回读到的字节数
        printf("received from %s at PORT %d\n",inet_stop(AF_INET,&cliaddr.sin_addr,str,sizeof(stderr),ntohs(cliaddr.sin_port));
        for(i=0;i<n;++i)
            buf[i]=toupper(buf[i]); //处理缓冲区的数据
        send(connfd,buf,n,0); 
        //向处于连接状态的套接字中发送数据
        //connfd为接收端的socket⽂件描述符
        //buf为要发送的缓冲区中的数据长度
        //flag表示调用的执行方式，设为0则可用write代替send函数
        close(connfd);//关闭连接
    }
    return 0;
}