掌握socket网络编程需要学习哪些基础知识

最新推荐文章于 2025-06-20 09:20:35 发布

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D-lyw

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分类专栏： Linux socket 基础网络编程文章标签： Linux Linux网络编程 socket socket编程知识 tcp/udp

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Linux网络编程篇(一)之Socket 编程预备知识

Linux网络编程篇(一)之Socket 编程预备知识

Linux系统的一大特点是它的网络编程能力十分强大, 学习它, 让我们真正体会网络的魅力!

一. 客户机/服务器模型

网络应用程序一般是以c/s模型的方式工作的,因特网便是c/s模型的一个典型例子,在这种工作方式中,一个服务器通常事先启动,并在一个熟知端口帧听对服务器的请求,如ftp服务器,web服务器等.当客户机应用程序需要某种服务时,需向提供这个服务的服务器发出请求,服务器收到请求后,向客户机发出相应请求服务.这样客户机应用程序和服务器程序之间就建立了通信连接,此后便可以进行数据通信,通信任务完成后,需要关闭它们之间的通信连接.

C_S_chart_flow

二. 网络套接字(socket)介绍

在网路中要全局的标示一个参与通信的进程,需要采用三元组:　协议，　主机ip地址,端口号.要描述两个应用进程之间的端到端的通信则需要一个五元组: 协议,信源机ip地址,信源应用进程端口, 信宿机ip地址,信宿应用进程端口.那么从程序设计的角度如何实现两个应用进程的通信连接的建立,并如何实现两个进程指佳酿数据传输呢?人们引入套接字(Socket)的概念.

Socket_flow

套接字实现了对网络和传输层协议的封装
套接字可以看做是处于不同主机之间的两个进程的通信连接端点
在实现两个进程间的通信时, 首先应用进程各自创建自己的套接字,然后通过套接字建立双方的通信链路,进而利用各自的套接字进行数据的发送个接收

socket这个词可以表示很多概念：

在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程，“IP地址+端口号”就称为socket。
在TCP协议中，建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接。socket本身有“插座”的意思，因此用来描述网络连接的一对一关系。
TCP/IP协议最早在BSD UNIX上实现，为TCP/IP协议设计的应用层编程接口称为socket API

Socket进一步介绍:
socket是使用标准unix文件描述符(file descriptor)和其他程序通讯的方式. Unix中的一切都是文件,接触过Unix/Linux,就一定会听过这句话. 实际上, unix程序在执行任何形式的I/O时,程序都是在读或者写一个文件描述符. 一个文件描述符只是一个跟打开的文件相关联的整数, 这个文件可能是一个网络连接, FIFO, 管道, 终端, 文件或者什么其他东西. 所以你要和网络上的其他程序通信时,你就要用到文件描述符, 那怎么得到网络通信的文件描述符呢?
利用系统调用socket((),它会返回套接字描述符(socket descriptor), 然后就可以用它来send(), recv() ,发送接收数据.

三. 套接字编程基础

Tcp/Ip的核心内容被封装在操作系统中,网络应用程序要使用tcp/ip来实现自己的功能,需要通过操作系统提供给用户的编程借口来实现. 套接字就是Tcp/Ip网络编程接口的集合,他是应用程序预tcp/ip协议族通信的中间软件抽象层.

1. socket

// socket - create an endpoint for communication

#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>

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

// DESCRIPTION
//       socket() creates an endpoint for communication and returns a file descriptor that 
//       refers to that endpoint.  The file descriptor returned by a successful call will 
// 	     be the lowest-numbered file descrip‐tor not currently open for the process.

domain: 说明我们网络程序所在的主机采用的通讯协族(AF_UNIX 和 AF_INET 等). AF_UNIX 只能够用于单一的 Unix 系统进程间通信,而 AF_INET 是针对 Internet 的,因而可以允许在远程主机之间通信(当我们 man socket 时发现 domain 可选项是 PF_而不是 AF_,因为glibc 是 posix 的实现所以用 PF 代替了 AF,不过我们都可以使用的).

type: 我们网络程序所采用的通讯协议(SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM 等)

SOCK_STREAM (流套接字) 表明我们用的是 TCP 协议,这样会提供按顺序的,可靠,双向,面向连接的比特流.
SOCK_DGRAM (数据包套接字) 表明我们用的是 UDP 协议,这样只会提供定长的,不可靠,无连接的通信.

SOCK_RAW (原始套接字) 表明这是个原始套接字, 相对与上面两种类型, 提供了更多的功能, 实现ping/traceruoute等均需要创建此类套接字

网络层次	Operation	SOCK_STREAM / SOCK_DGRAM	SOCK_ROW
应用层(Application Layer)	telnet, ftp, http, dns…	√	√
传输层(Transport Layer)	TCP, UDP	√(数据部分)	√
网络层(Internet Layer)	IP	×	√
数据链路层(Data link)	MAC	×	√

链路层的原始套接字可以直接用于接收和发送链路层的MAC帧，在发送时需要由调用者自行构造和封装MAC首部。
网络层的原始套接字可以直接用于接收和发送IP层的报文数据，在发送时需要自行构造IP报文头

一般的套接字只能操作传输层的数据部分的内容, 我们只能将发送的数据(buffer)传递给系统, 系统帮我们给数据加上tcp/udp头部,再加上ip头部, 再给发出去; 而使用原始套接字需要我们自己构造每个部分, 系统只是将它发出去, 想一想, 这是不是多了好多乐趣呢 ^_^

注: 原始套接字需要root权限, 针对具体情况使用相应套接字类型, 推荐阅读 $书籍$ ¹

protocol :由于我们指定了 type,所以这个地方我们一般只要用 0 来代替就可以了, socket 为网络通讯做基本的准备. 如果我们使用的是原始套接字,这个时候系统是不知道你要发送什么类型数据结构的数据, 这时候就需要指定协议类型, 如 IPPROTO_ICMP, IPPROTO_TCP, IPPROTO_UDP等.

Return Value : 成功时返回文件描述符,失败时返回-1,看全局变量 errno 可知道出错的详细情况

// 常用方式 下同
if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
   
   
	fprintf(stderr,"Create Socket Error, %s\n", perror(errno);
	exit(errno);
}

2. bind

// bind - bind a name to a socket
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen)

sockfd: 是由 socket 调用返回的文件描述符.

addrlen: 是 sockaddr 结构的长度.

my_addr: 是一个指向结构体 sockaddr 的指针,它保存你的地址(即端口和 IP 地址) 信息。在<linux/socket.h>中有 sockaddr 的定义

struct sockaddr{
   
   
        unisgned short as_family;
        char sa_data[14];
};

不过由于系统的兼容性,我们一般不用这个头文件,而使用另外一个结构(struct sockaddr_in) 来代替.在<linux/in.h>中有 sockaddr_in 的定义

struct sockaddr_in{
   
   
        unsigned short sin_family;
        unsigned short int sin_port;
        struct in_addr sin_addr;
        unsigned char sin_zero[8];
}

注: 由于sockaddr数据结构与sockaddr_in数据结构的大小是相同的,指向sockaddr_in的指针可以通过强制类型转换,转换成指向sockaddr结构的指针

我们主要使用 Internet 所以 sin_family 一般为 AF_INET,

sin_addr.s_addr 设置为 INADDR_ANY 表示自动填上所运行的机器的ip地址,

sin_port 是我们要监听的端口号, 赋值0则告诉系统自动选择端口

sin_zero[8]是用来填充的

在这里插入图片描述

bind 将本地的端口同 socket 返回的文件描述符捆绑在一起.成功是返回 0,失败的情况和socket 一样
简单例子:

#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#define _INT_PORT 9257

int main(void)
{
   
   
	int sockfd;												// 定义套接字
	struct sockaddr_in my_addr;								// 定义存储本地地址信息的结构体
	sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);				// 创建套接字
	
	my_addr.sin_family = AF_INET;
	my_addr.sin_port = htons(_INT_PORT);
	my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("132.241.5.10");
	
	bzero(&(my_addr.sin_zero), sizeof(my_addr.sin_zero));
	if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)