Linux系统编程（七）网络编程TCP、UDP

简约少年

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分类专栏： Linux 文章标签：网络 linux tcp/ip

于 2024-06-01 16:31:57 首次发布

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本文目录

一、基础知识点
二、TCP 常用API
三、UDP 常用API
三、编程流程

在学习本章之前，可以查看《计算机网络基础》这篇文章进行学习。

一、基础知识点

1. IP地址

IP 地址的作用是标识计算机的网卡地址，每一台计算机都有一个 IP 地址。在程序中是通过IP 地址来访问一台计算机的。本节将讲述 IP 地址的一些知识。 IP 地址是用来标识全球计算机地址的一种符号，就比如一个手机的号码，使用这个地址可以访问一个计算机。
IP 地址具有统一的格式。 IP 地址是 32 位长度的二进制数值，存储空间是 4 个字节。例如： 11000000 10101000 00000001 00000110 是一台计算机的 IP 地址，但二进制的数值是不便于记忆的，可以把每个字节用一个十进制的整数来表示，既 192.168.1.6。
在同一个网络中， IP 地址是唯一的。因为需要根据 IP 地址来访问一台计算机，所以在可以访问的范围以内，每一台计算机的 IP 地址是唯一的。在Linux终端中输入命令 ifconfig 可以查看本机 IP 信息，在Windows下的cmd命令行使用ipconfig查看IP信息。

2. 端口

在网络通信中，IP地址帮助我们定位到特定的计算机，而端口号则帮助我们在这台计算机上找到具体的应用程序或服务。每个应用程序监听不同的端口，以便接收和处理来自网络的请求。端口号通常以数字形式表示，并与IP地址一起使用，以标识网络通信的不同端点。
通俗举例：在同一个主机上，IP地址是固定的，但是主机上有很多程序功能，这些功能有不同的端口号。我们为了访问主机的某个功能程序，就必须指定其功能对应的端口号。例如主机的IP为：192.168.12.4，QQ的端口号为10，微信的端口号为13。我们为了使用微信这个功能，我们就需要使用：192.168.12.4: 13来使用其功能。

3. 域名

域名是互联网中用于标识一个网站或服务器的友好名称，它是IP地址的可读形式。域名系统（DNS）将域名转换为IP地址，使用户能够通过简单易记的名字访问网站，而不需要记住难记的IP地址。例如百度的域名为www.baidu.com，我们可以使用这个域名来代替百度的IP地址。小知识：可以使用 ping 命令来查看一个域名所对应的 IP 地址，例：ping www.baidu.com，我们就可以查看其真实的ip地址。

4. 网络协议类型

（1）TCP协议：提供可靠的、面向连接的数据传输，确保数据按顺序传递、不丢失、不重复，并进行错误检测和纠正。常用于需要可靠数据传输的应用，如Web、电子邮件和文件传输。
TCP 是面向连接的协议。所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合。面向连接服务是在数据交换之前，必须先建立连接。当数据交换结束后，则应终止这个连接。面向连接服务具有：连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。在传送数据时是按序传送的。建立链接：三次握手（这个过程我们并不看得到）。

（2）UDP协议：提供不可靠的、面向无连接的数据传输，数据包可能会丢失、重复或乱序，不进行错误检测和纠正。传输速度比TCP快！常用于实时性要求高、数据量小、丢失少不影响的应用，如视频流、音频流和游戏通信。

5. IP协议类型

IPv4和IPv6是两种不同版本的互联网协议（IP），用于标识网络设备的地址并进行数据包路由。它们的主要区别在于地址格式和容量。

（1）IPV4：是第四版互联网协议，目前仍是最广泛使用的IP协议。

●它使用32位地址空间，格式如下：
地址格式：四个十进制数，每个数范围从0到255，由点分隔。例如：192.168.1.1。
地址数量：IPv4的地址空间约有42亿个唯一地址（2^32）。
●IPv4的特点
地址空间有限：由于地址空间较小，IPv4地址逐渐耗尽，尤其随着互联网设备数量的爆炸性增长。
地址分配：IPv4地址的分配方式包括公共地址和私有地址，私有地址用于局域网内通信，不可在互联网中直接使用（如192.168.x.x）。
NAT（网络地址转换）：由于地址空间有限，NAT技术被广泛应用，使多个设备可以共享一个公共IP地址访问互联网。

（2）IPV6：是第六版互联网协议，设计为IPv4的继任者，提供更大的地址空间和其他改进。

● 它使用128位地址空间，格式如下：
地址格式：八组十六进制数，每组四个十六进制数字，由冒号分隔。例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
地址数量：IPv6的地址空间极其庞大，有约3.4×10^{38个地址（2}128）。
●IPv6的特点
几乎无限的地址空间：IPv6提供了极其庞大的地址空间，足以满足未来互联网设备的需求。
简化的地址配置：支持无状态地址自动配置（SLAAC），设备可以自动生成IPv6地址，不需要手动配置或DHCP。
内置安全性：IPv6支持IPSec协议，提供更好的安全性。
无NAT需求：由于地址空间充足，不再需要NAT，大大简化了网络结构和提高了传输效率。
改进的路由和网络配置：IPv6改进了路由选择和地址分配机制，简化了网络配置和管理。

6. 字节序

顾名思义就是字节的存放顺序，就是字节数大于1的数据在内存中的存放顺序，字节数为1的数据就没有顺序的问题。
（1）主机字节序

数据在主机（计算机）内部的字节顺序。在计算机系统中，数据存储在内存中，字节的存储顺序取决于计算机的体系结构。
●有两种主要的字节序：大端序和小端序。在大端序中，高位字节存储在低地址，低位字节存储在高地址。在小端序中，低位字节存储在低地址，高位字节存储在高地址。X_86系统一般都是小端序。

（2）网络字节序

是一种特定的字节序，用于在网络中传输数据。在网络通信中，数据在传输过程中需要保持一致的字节序，以确保不同主机之间能够正确解释和处理数据。网络字节序规定使用大端序作为标准字节序。
为了确保在网络通信中使用统一的字节序，常见的网络编程库提供了一系列函数来进行字节序转换，以确保数据在传输过程中采用网络字节序。

htons() //将16位整数从主机字节序转换为网络字节序（Host to Network Short）。
htonl() //将32位整数从主机字节序转换为网络字节序（Host to Network Long）。
ntohs() //将16位整数从网络字节序转换为主机字节序（Network to Host Short）。
ntohl() //将32位整数从网络字节序转换为主机字节序（Network to Host Long）。

inet_ntoa() // 是一个用于将网络字节序的二进制 IPv4 地址转换为点分十进制字符串表示形式的函数。
inet_addr() //函数用于将点分十进制字符串形式的 IPv4 地址转换为网络字节序的二进制形式。

7. socket套接字

（1）定义

套接字（Socket）是在网络编程中用于实现通信链接的一种机制。它是网络通信的一种约定和规范，能够实现不同计算机之间的通信和数据交换。通过套接字，计算机可以在网络上发送和接收数据，并建立各种类型的网络连接，如TCP连接、UDP连接等。
套接字提供了一种类似于文件的接口，使得应用程序可以通过读写套接字来进行数据交换。在进行网络编程时，通过套接字，程序可以指定通信的目的地址和端口，实现数据的发送和接收。套接字是网络编程中非常重要的概念，它为数据在网络中的传输提供了基础支持。
Socket的工作原理基于客户端-服务端模式，其中一个程序充当客户端，另一个充当服务器。通常，服务器在一个主机上运行并侦听特定的端口，客户端则连接到服务器的IP地址和端口号。

（2）类型

①流式 socket（SOCK_STREAM）：提供可靠的、面向连接的通信流；它使用 TCP 协议，从而保证了数据传输的正确性和顺序性。
②数据报 socket（SOCK_DGRAM）：定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议 UDP。
③原始 socket：原始套接字允许对底层协议如 IP 或 ICMP 进行直接访问，它功能强大但使用较为不便，不常用。

二、TCP 常用API

●头文件

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>

1. socket套接字描述符

返回值：套接字描述符

int socket(int domain, int type, int protocol)
//int domain ：：代表一个协议族。AF_INET 决定了要用 ipv4 地址；
//int type：指定IP协议类型，常见的是TCP： SOCK_STREAM。 UDP：SOCK_DGRAM等。
//int protocol：当为 0 时，会自动选择 type 类型对应的默认协议。

（1）domain协议簇

可选项	说明
AF_INET	IPv4 互联网协议族
AF_INET6	IPv6 互联网协议族
AF_UNIX 、AF_LOCAL	本地通信（Unix域套接字）
AF_PACKET	用于底层数据包的访问（通常用于网络通信）
AF_NETLINK	用于用户空间与内核之间的通信。

（2）type协议类型

可选项	说明
SOCK_STREAM	提供面向连接的稳定数据传输（TCP）
SOCK_DGRAM	提供数据包的无连接传输（UDP）
SOCK_RAW	提供对 IP 层直接操作的原始套接字（需要root权限）
SOCK_SEQPACKET	有序且可靠的数据包传输，适合固定大小的消息

2. bind套接字绑定

将套接字绑定到指定的本地地址上，这样就可以在该地址上进行数据收发操作。通常，在服务器程序中，使用bind()函数将服务器套接字绑定到服务器的IP地址和端口号上，以便客户端可以连接到该地址并与服务器通信。

int bind(int sockfd, struct sockaddr* my_addr, int addrlen);
//int sockfd：socket套接字描述符
//struct sockaddr* my_addr ：本地ip地址结构体，包含ip地址、端口等。
// int addrlen： struct sockaddr 结构的大小。

使用举例：

//下述结构体已经在#include <sys/socket.h>头文件中定义，不需要程序员自己定义。
/*
	struct sockaddr_in {
	 sa_family_t sin_family;     // address family: IP协议类型：AF_INET（IPV4）、AF_INET6（IPV6）。
	 in_port_t sin_port;         // port in network byte order 端口号 
	 struct in_addr sin_addr;    //internet address IP 地址 
	};
	
	struct in_addr {
		in_addr_t s_addr;  //ip地址
*/
//填写绑定的结构体内容	
sockaddr_in server_info;    //初始化结构体
server_info.sin_family =AF_INET;    //IPV4类型
server_info.sin_port=htons(50000);  //htons()将一个主机字节序端口号转为网络字节序下的端口号。
server_info.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); //所有人都可以连接。

bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_info, sizeof(server_info));  //绑定ip以及端口号

注意：使用10000以内的端口号可能会与系统服务或其他常见的应用程序发生冲突，导致绑定失败或服务异常。因此，在开发自定义应用程序时，建议选择一个不太常用的端口号，通常在49152到65535之间。

3. listen设置最大排队数

设置最大排队长度：即多个客户端连接服务端时，当服务端没有接收这个请求，则客户端会进入排队等待中，那么这个排队长度就是最大可以容忍排队客户端的数量。这个并不是客户端连接的最大数量。

int listen(int sockfd, int backlog);
//int sockfd：socket套接字描述符。
// int backlog：设置请求排队的最大长度，当有多个客户端程序和服务端相连时, 使用这个表示可以介绍的排队长度。

4. accept接收客户端请求

监听是否有客户端链接，调用 accpet 之后会一直阻塞，直到有用户连接。
返回值：客户端的文件描述符。

int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);
//int sockfd：socket套接字描述符。
//void *addr ：用于存放客户端的信息
//int *addrlen :接收客户端的信息长度。

举例：

sockaddr_in client_info;    //用于存储连接的客户端的信息
int client_socket;

client_socket=accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_info, &(sizeof(client_info)));
printf("客户端的socket:%d, ip:%s, 端口:%d\n",client_socket, client_info.sin_addr, client_info.sin_port);

5. connect连接服务端

用于在客户端与服务器进行端连接。0 ：成功。1 :失败。

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);
//int sockfd：socket()返回的文件描述符。
//struct sockaddr * serv_addr：服务端的地址，通常传递 struct sockaddr_in 结构体类型。
//int addrlen) ：serv_addr长度。

6. read读取数据

成功时：返回实际读取的字节数，这个值可能比请求的字节数少，特别是在读取文件尾或读少于请求字节数的数据时。
出错时：返回 -1，并将 errno 设置为合适的错误码。

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fildes, void *buf, size_t nbyte);
//int fildes：文件描述符，标识要读取的文件或其他可读对象（如套接字、管道等）。
//void *buf：读取的数据将存储在此缓冲区中。
//size_t nbyte：缓冲区的大小。

7. write发送数据

成功时：返回实际写入的字节数。这可能比请求的字节数少，尤其是在写入到非阻塞文件描述符时。
出错时：返回 -1，并将 errno 设置为合适的错误码。

#include <unistd.h>
 
ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);
//int fildes：文件描述符，标识要写入的文件或其他可读对象（如套接字、管道等）。
//const void *buf：要写的数据。
// size_t nbyte：数据的大小。

三、UDP 常用API

●头文件

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>

1. socket套接字描述符

返回值：套接字描述符

int socket(int domain, int type, int protocol)
//int domain ：：代表一个协议族。AF_INET 决定了要用 ipv4 地址；
//int type：指定IP协议类型，常见的是TCP： SOCK_STREAM。 UDP：SOCK_DGRAM等。
//int protocol：当为 0 时，会自动选择 type 类型对应的默认协议。

2. bind套接字绑定

将套接字绑定到指定的本地地址上，这样就可以在该地址上进行数据收发操作。

int bind(int sockfd, struct sockaddr* my_addr, int addrlen);
//int sockfd：socket套接字描述符
//struct sockaddr* my_addr ：本地ip地址结构体，包含ip地址、端口等。
// int addrlen： struct sockaddr 结构的大小。

3. recvfrom接收数据

通过发送方的socket，将数据存储到buff中，并将发送方的地址信息存储起来。

ssize_t recvfrom(int socket, void *restrict buffer, size_t length, int flags, 
                 struct sockaddr *restrict address,
                 socklen_t *restrict address_len);

/*
int socket ：指明用哪个套接字接收数据。
oid *restrict buffer：recvfrom函数将接收到的数据存储在此缓冲区中。
size_t length：这是一个指定接收数据缓冲区大小。
int flags：通常为0.
struct sockaddr *restrict address：用于存储发送方的地址信息。如果不需要发送方的地址信息，可以将其设为NULL。
socklen_t *restrict address_len：存储发送方信息结构体的大小。
*/

例如：

int sock; //发送方的socket
ssize_t size;
char buff[64];  //将接收的消息存到buff中
struct sockaddr_in send_info;    //存储发送方的信息    
socklen_t length = sizeof(send_info);//结构体大小

size=recvfrom(sock, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr *)&send_info, &length);
if(size < 0){
   
	perror("recvfrom error");
	break;
}
printf("%s:%d  [%s]\n", inet_ntoa(send_info.sin_addr), ntohs(send_info.sin_port), buff);

4. sendto发送数据

通过自身的socket，将buff中的数据发送给目标地址。

ssize_t sendto(int socket, const void *message, size_t length,int flags, 
			   const struct sockaddr *dest_addr,
			   socklen_t dest_len);

/*
int socket ：指明用哪个套接字发送数据。
const void *message：sendto函数将此缓冲区中的数据发送出去。
size_t length：发送数据的长度。
int flags：通常为0
const struct sockaddr *dest_addr：指定目标地址。这个结构包含了目标的IP地址和端口号。
socklen_t dest_len：目标地址的长度。
*/