TCP/IP网络编程

原创于 2025-08-24 11:04:28 发布 · 440 阅读

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#tcp/ip

TCP/IP网络编程

基础知识
- 网络编程
  - 编写使两台连网地计算机互相交互数据的程序。
- 套接字
  - 网络数据传输用的软件设备，一个工具。
- 知识补给
  - linux文件描述符
    - 就是给文件标个号，是个int型，0,1,2分别给了标准输入，标准输出，标准错误输出，也就说程序里要是在来一个，是从3开始。
  - 以_t为后缀的数据类型
    - 操作系统定义的数据类型，给本来的数据类型套了个壳子，不同计算机系统切换修改方便（比如32位到64位）。
linux
- 接电话套接字
  - #include <sys/socket.h>
  - socket()
    - 创建套接字
    - int socket(int domain, int type, int protocol);
      - 成功返回文件描述符，失败返回-1
  - bind()
    - 分配IP地址和端口号
    - int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
      - 成功返回0，失败返回-1
  - listen()
    - 转为可接受请求状态
    - int listen(int sockfd, int backlog);
      - 成功返回0，失败返回-1
  - accept()
    - 受理连接请求
    - int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
      - 成功返回文件描述符，失败返回-1
    - 注：
      - 等待，直到遇到连接请求之后返回。
- 打电话套接字
  - #include <sys/socket.h>
  - socket()
    - 创建套接字
    - int socket(int domain, int type, int protcol);
      - 成功返回文件描述符，失败返回-1
  - connect()
    - 向服务器端发送连接请求
    - int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
    - 注
      - 只有在两种情况下改函数才会返回
         服务器接收连接请求
         发生断网等异常情况而中断连接，或者服务器没在可连接状态，就没连上。
- 文件操作
  - open()
    - #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h>
    - int open(const char *path, int flag)
      - 成功返回文件描述符，失败返回-1
    - 参数解释
      - path
        文件名的字符串地址
      - flag
        文件的打开模式
  - close()
    - #include <uistd.h>
    - int close(int fd)
      - 成功返回0，失败返回-1
  - write()
    - #include <unistd.h>
    - ssize_t write(int fd, const void* buf, size_t nbytes);
      - 成功返回写入的字节数，失败返回-1
    - 参数解释
      - buf
        需要write的数据地址
      - nbytes
        需要传输的字节数
  - read()
    - #include <unistd.h>
    - ssize_t read(int fd, void* buf, size_t nbytes);
      - 成功返回读取的字节数，失败返回-1
windows
- 初始化winsock相关库
  - #include <winsock2.h>
    - 链接报错找不到符号：-lwsock32
  - int WSAStartup(WORD, wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);
  - wVersionRequested
    - winsock版本
      - MAKEWORD(1, 2)：1.2版本，该函数的返回值：0x0201（低八位是主版本号）。
      - MAKEWORD(2, 2)：2.2版本，该函数的返回值：0x0202。
  - IpWSAData
    - WSADATA结构体变量的地址值
  - 成功返回0，失败非0值
- 注销winsock相关库
  - int WSACleanup(void)
  - 成功时返回0，失败返回SOCKET_ERROR
- 套接字相关函数
  - #include <winsock2.h>
  - socket()
    - 创建套接字
    - SOCKET socket(int af, int type, int protocol);
      - 成功返回套接字句柄，失败返回INVAID_SOCKET
  - bind()
    - 分配IP地址和端口号
    - int bind(SOCKET s, const struct sockaddr *name, int namelen);
      - 成功时返回0，失败返回SOCKET_ERROR
  - listen()
    - 转为可接受请求状态
    - int listen(SOCKET s, int backlog);
      - 成功时返回0，失败返回SOCKET_ERROR
  - accept()
    - 受理连接请求
    - SOCKET accept(SOCKET s, struct sockaddr *addr, int *addrlen);
      - 成功返回套接字句柄，失败返回INVAID_SOCKET
  - connect()
    - 向服务器端发送连接请求
    - int connect(SOCKET s, const struct sockaddr *name, int namelen);
      - 成功时返回0，失败返回SOCKET_ERROR
  - closesocket()
    - 关闭套接字
    - closesocket(SOCKET s);
      - 成功时返回0，失败返回SOCKET_ERROR
- winsock数据传输函数
  - send()
    - #include <winsock2.h>
    - int send(SOCKET s, const char* buf, int len, int flags);
      - 成功返回发送字节数，失败返回SOCKET_ERROR
  - recv()
    - #include <winsock2.h>
    - int recv(SOCKET s, const char* buf, int len, inf flags);
      - 成功返回接收字节数（收到EOF时是0），失败返回SOCKET_ERROR
- winsock编程公式
  - int main(int argc, char* argv[]) { WSADATA wsaData; .... if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) { ErrorHandling("WSAStartup() error!"); } .... return 0; }
创建套接字
- int socket(int domain, int type, int protocol);
  - 成功返回文件描述符，失败返回-1
- 函数解释
  - domain
    - 协议族信息（Protocol Family）
    - PF_INET
      - IPv4互联网协议族
    - PF_INET6
      - IPv6互联网协议族
  - type
    - 套接字类型，套接字的数据传输方式
    - SOCK_STREAM：面向连接的套接字
      - 可靠的，按序传递的，基于字节的面向连接的数据传输方式的套接字。
      - 注：传输的数据不存在边界，也就是说你发你的，我收我的，收的不管发的发了几次，我就收就行。
    - SOCK_DGRAM：面向消息的套接字
      - 不可靠的，不按序传递的，以数据的高速传输为目的的套接字。
  - protocol
    - 最终确定用那个协议，就是说有些情况下，前面两个参数不能唯一确定一个协议，就需要用到这个协议，如果前面两个参数确定了，那这个参数可以给0。
    - IPv4里面向连接的协议，只有TCP，IPPROTO_TCP，面向消息的协议只有UDP，IPPROTO_UDP。
IP地址和端口号分配
- IP地址和端口号
  - IP地址
    - 发给那个机器？
  - 端口号
    - 发给机器的那个软件？
    - 端口号是同一操作系统内区分不同的套接字。
    - 编码
      - 端口号编码长度是16位，则范围是：0~65535；0~1023是知名端口号，则使用时应该从1024开始。
    - 是否能重复
      - TCP套接字和UDP套接字不会共用端口号，所以可以重复用一个端口号。
- 字节序转换
  - #include <arpa/inet.h>
  - unsigned short htons(unsigned short);
  - unsigned short ntohs(unsigned short);
  - unsigned long htons(unsigned long);
  - unsigned long ntohs(unsigned long);
  - 解释
    - n
      - network，网络序。
    - h
      - host，主机序，因为arm，x86都是小端，这里平时可以就认为是小端。
    - s
      - short
    - l
      - long
- IP地址字符串和网络字节序转换
  - #include <arpa/inet.h>
  - 字符串转网络序整型，不会自动把变量存入sockaddr_in
    - inet_addr()
      - int_addr_t inet_add(const char * string);
      - 成功返回32位网络序整型值，失败返回INADDR_NONE
  - 字符串转网络序整型，会自动把变量存入sockaddr_in
    - inet_aton()
      - int inet_aton(const char * string, struct in_addr * addr)
      - 成功时返回1，失败返回0
  - 网络序整型转字符串
    - inet_ntoa()
      - char * inet_ntoa(struct in_addr addr)
      - 注：
        该函数的返回值是自动存储类型，也就说他只在该函数下一次执行之前存在，再次执行会覆盖。
- 初始化struct sockaddr_in
  - 定义
    - struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; // 协议族 uint16_t sin_port; // 端口号 struct in_addr sin_addr; // 32ip地址 char sin_zero[8]; // 不使用，只是占位置，为了大小和struct sockaddr对齐 }; struct in_addr { in_addr_t s_addr; // 32位ipv4地址 };
    - 注：
      - sin_port和sin_addr都是以网络字节序保存数据的。
    - struct sockaddr { sa_family_t sin_family; // 协议族 char sa_data[14]; // 地址信息：14 = 端口号的2 + ip地址的4 + sin_zero[8] };
    - 注：
      - 不知道sockaddr为了啥，但一定是为了啥搞了这种设计。以至于给sockaddr赋值很麻烦，所有搞了sockaddr_in作为中间给sockaddr赋值。
  - 初始化
    - 就是给sockaddr_in赋值
    - struct sockaddr_in addr; char * serv_ip = "10.146.4.47"; char * serv_port = "9190"; memset(&addr, 0, sizeof(addr)); addr.sin_family = AF_INET; addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(serv_ip); addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));
      - struct sockaddr_in addr; char * serv_port = "9190"; memset(&addr, 0, sizeof(addr)); addr.sin_family = AF_INET; addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY) addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));
      - INADDR_ANY
        自动获取主机IP地址，还是整型的
         服务器优先使用这种方式，客户端除非带有一部分服务器的功能，否则别用。（这不废话吗，客户端你得告诉程序你要访问那个服务器啊？你不说我那知道）
- 服务器分配IP地址和端口号：bind()
  - 给创建的套接字，分配IP地址和端口号
  - int bind(int sockfd, struct sockaddr* myaddr, socklen_t addrlen);
    - 成功返回0，失败返回-1
  - 函数解释
    - sockfd
      - 文件描述符，这里其实就是你创建的套接字。
    - myaddr
      - sockaddr结构体，记录协议族，ip和端口号；
      - 实际使用中是先声明myaddr为struct sockaddr_in，然后在转化为sockaddr*，直接向sockaddr赋值会有问题。
        struct sockaddr_in serv_addr 。。。。 (struct sockaddr*) &serv_addr
    - addrlen
      - sockaddr结构体的大小
  - 注：
    - 这个函数其实，就是在给你创建的套接字的这个结构体赋值。
- 客户端分配IP地址和端口号：connect()
  - 提供服务器的IP地址和端口号，向服务器端发送连接请求
  - int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
  - 注
    - 客户端的IP地址和端口号是啥时候分配的呢？是在connect调用之后自动分配的。
- windows
  - 头文件
    - #include <winsock2.h>
  - 没有inet_aton()函数
  - 有俩windows独有的ip网络序整型和字符串的转换，同时支持IPV4和IPV6，但是因为跨系统扩展不好，一般不用。
TCP套接字编程
- TCP服务器端
  - 函数调用顺序
    - socket()
      - 创建套接字
    - bind()
      - 分配套接字地址
    - listen()
      - 等待连接状态
    - accept()
      - 处理连接请求
    - read()/write()
      - 数据交换
    - close()
      - 断开连接
  - listen()
    - 进入等待连接状态
    - int listen(int sockfd, int backlog);
      - 成功返回0，失败返回-1
    - 参数解释
      - backlog
        连接请求等待队列的大小，单位是连接请求的个数。
    - 注：
      - listen()相当与干了两件事情，一是让服务器套接字进入等待连接状态，二是决定了连接请求队列的大小。
  - accept()
    - 受理客户端连接请求
    - int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
      - 成功返回文件描述符，失败返回-1
    - 参数解释
      - 返回值
         等待，直到遇到连接请求之后返回，也就是遇到connet()之后返回。
        返回值是和客户端连接之后的套接字描述符，也就是用于数据传输的套接字描述符。
      - sockfd
        之前创建的服务器套接字
      - struct sockaddr *addr
        struct sockaddr *addr存的是发起请求的客户端的套接字地址，是客户端的，是通过connect()传过来的。
      - socklen_t *addrlen
        是个指针，指向sockaddr的size（是个数）；
        实际编码：
        socklen_t clietAddrSize = sizeof(sockaddr); linkSock = accept(serverSock, (struct sockaddr*)&clientAddr, &clietAddrSize);
    - 注
      - 刚开始创建的套接字只是为了做一些准备工作，accept()创建的套接字才是最重要的，才是用于数据传输的套接字。
- TCP客户端
  - 函数调用顺序
    - socket()
      - 创建套接字
    - connect()
      - 请求连接
    - read()/write()
      - 数据交换
    - close()
      - 断开连接
  - connect()
    - 向服务器端发送连接请求
    - int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
      - 成功返回0，失败返回1
    - 参数解释
      - 返回值
         只有在两种情况下改函数才会返回
         服务器接收连接请求
         发生断网等异常情况而中断连接，或者服务器没在可连接状态，就没连上。
      - struct sockaddr *serv_addr
        struct sockaddr *serv_addr是服务器端的套接字地址，客户端的套接字地址是在调用connect()之后自动分配的。
    - 注
      - connect()运行成功之后，并不意味着服务器端就会调用accept，服务器会先把连接请求放到等待队列，也就是说connect()返回之后并不会立即进行数据交换。
      - accept()运行之后会返回新的服务器端套接字，用于进行数据传输，但是connet()不是，他就是让原本的客户端套接字和服务器端套接字连接上了。
- 迭代回声服务器端和客户端
  - 服务器端处理多个客户端的请求，实现就是循环执行accept()，数据交换和close()的部分。
  - 服务器端和客户端进行多次数据交互，实现就是循环数据交互的部分。
  - 注：
    - TCP套接字编程数据传输的部分一定要注意一个事情，就是TCP的数据传输是没有边界的，write()发就是发，read()读就是读，他俩谁也不管谁。如果write()的数据过大，实际中是分两次或者多次发出去的，read()可不管，他就从buffer里读，所以他读的是第一次的，还是第一次+第二次的完全看运气。
    - 回声客户端的问题解决：协议，提前约定数据的大小。
TCP原理
- TCP套接字I/O缓冲
  - I/O缓冲每个套接字都有自己的，关闭套接字输出缓冲不会丢失，但是输入缓冲会丢失。（很容易理解，因为输出缓冲已经从套接字发出去了，输入缓冲是要发给套接字的。）
  - TCP不存在超过缓冲区大小的情况，因为TCP会控制流数据，控制流的大小。
- TCP工作原理
  - 建立连接
    - 三次握手
      - 简单说，就是在数据交换前，两个套接字有三次交流。“我连接你OK不？”,“OK的”,“好的”。
      - A："我俩做好朋友好不？"
      - B："可以啊！"
      - A："好的，收到，我们是好朋友了"
  - 数据交换
    - 套接字是全双工的
    - SEQ&ACK
      - SEQ
        序号
         就是给你发的序号
      - ACK
        确认号
         你发我的我已收到，我下一个想要的序号。
      - ACK值
         ACK = SEQ + 我接收成功的字节数 + 1
        这样就能准确的反馈，你发我的我收到了没，收到了多少，我下一个想要的是啥。
    - 传输错误
      - 如果发送端迟迟未收到接收端的反馈，就会重传。
      - 如果收到了反馈，接收端收到了，但是没收全，是重传上一次的整个，还是只传丢失的？
  - 断开连接
    - 四次握手
      - 简单说，就是断开连接前，两个套接字会进行四次交流
      - A：我想断开连接
      - B：是吗？请稍等
      - B：我准备好了，可以断开连接
      - A：收到，那拜拜
- 注：
  - 整个TCP的工作模式简单说，就是“句句有回应，事事有反馈，卿卿我我，恩恩爱爱。”