Linux11：Linux网络编程(虚拟机网络连接，UDP,TCP/IP协议，IP地址，端口号，字节序，socket系统调用，套接字编程)

Myth丶恋晨 2022-12-17 14:57 161阅读 0赞

## Linux网络编程(虚拟机网络连接，UDP,TCP/IP协议，IP地址，端口号，字节序，socket系统调用，套接字编程) ##

**1.网络编程相关知识：**

**1.1.虚拟机网络连接：**

桥接：桥接到物理机网卡上，虚拟机、物理机、外网都可以进行相互访问

仅主机：虚拟机仅和物理机进行通信

NAT：和桥接对比，外网不能访问虚拟机

**1.2.常用命令：**

> ifconfig命令：  
> 查看以及配置linux下的网络  
> \#ifconfig //查看网络配置  
> \#ifconfig ens33 192.168.15.2 //设置ens33网络  
> vim /etc/network/interfaces  
> \#ifconfig ens33 up/down  
> 打开或者关闭网卡

> ping命令  
> 测试当前网络和另一个IP地址是否网络连通  
> ping xxxxip地址 //一直阻塞终端  
> ping -c%d xxxip地址 //ping %d 次  
> 重启网络  
> service networking restart

**1.3.关于网络：**

TCP/IP协议架构与OSI七层模型：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

TCP/IP协议：  
传输控制/网际协议(Transfer Control Protocol/Internet Protocol) 又称作网络通讯协议  
是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成

**2.传输层：**

**2.1.通信协议：**

**TCP：**  
利用套接字进行通信  
TCP协议编程框架：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

**特点：**

> 传输安全可靠，传输过程有三次握手，实时性差  
> 密码验证等  
> 基于连接的通信（可靠通信）:  
> 通信前两个进程先握手建立连接，数据不会丢失

TCP三次握手建立连接:  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
**UDP:**

利用套接字进行通信  
**特点：**

> 传输不可靠，实时性强  
> 用于音频，视频传输

UDP编程框架:  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

> 基于无连接通信（不可靠通信）  
> 通信前无连接，数据可能丢失  
> UDP

**2.2.IP地址:**

**组成**:

> 网络ID:  
> 指定 了主机所属的网络  
> 主机ID:  
> 标识了位于该网络中的主机

**分类:**

> ipv4: 包含32位  
> 0.0.0.0~255.255.255.255  
> 点分十进制形式,将地址的4个字节写成以个十进制数字  
> ipv6:128位

**区分:**  
子网掩码  
划分:网络ID全为1，主机ID全为0  
表示:  
192.168.1.0/24  
可分配的因特网地址为 192.168.1.1---------192.168.1.254  
主机ID全为0的用来标识网络本身  
主机ID全为1标识子网广播地址  
255.255.255.0

**特殊IP:**

> 127.0.0.1:回环地址，分配给主机名localhost  
> 127.0.0.0/8中的所有地址均可分配为回环地址，通常使用127.0.0.0;  
> INADDR\_ANY: ipv4通配地址,常用于将socket绑定到多宿主机的应用程序

**2.3.IP转换函数：**

**ipv4：**  
原型：

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
    //点分十进制IP-->网络字节的32位二进制数值
    int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
    //点分十进制IP-->网络字节的32位二进制数值
    int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
    //点分十进制IP-->网络字节的32位二进制数值
    char *inet_ntoa(struct in_addr in);
    //32-->点分十进制
    in_addr_t inet_addr(const char *cp);
    //点分十进制IP-->网络字节的32位二进制数值并返回

所属头文件：  
\#include <sys/socket.h>  
\#include <netinet/in.h>  
\#include <arpa/inet.h>

参数：

> cp：存放点分十进制IP地址字符串  
> inp：传出参数，保存32位二进制数值  
> typedef uint32\_t in\_addr\_t;  
> struct in\_addr \{  
> in\_addr\_t s\_addr;  
> \};

**ipv4和ipv6:**  
原型:

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
    //类比inet_aton
    const char *inet_ntop(int af, const void *src,char *dst, socklen_t cnt);

所属头文件:  
\#include <sys/types.h>  
\#include <sys/socket.h>  
\#include <arpa/inet.h>  
参数:

> af：AF\_INET:表示为ipv4  
> AF\_INET6:表示为ipv6  
> cnt为转换后的长度（字符串的长度）

**2.3:端口号：**

一个是16位无符号整形，0-65535  
区分一台主机接收到的数据包应该转交给哪个进程来进行处理：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

1到1023（1到255之间为众所周知端口，256~1023端口通常由UNIX系统占用）  
注册端口：1024~49150; 可以使用  
动态或私有端口：49151~65535  
套接字和端口:  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
**2.4:地址名字转化：**

原型：

struct hostent* gethostbyname(const char* hostname);
    //将域名（www.baidu.com）或主机名转换为 IP 地址
    struct hostent* gethostbyaddr(const char* addr, size_t len, int family);
    //将 IP 地址转换为域名或主机名

所属头文件：  
\#include <netdb.h>  
参数：

> hostname：指向存放域名或主机名的字符串  
> struct hostent  
> \{  
> char \*h\_name; /*正式主机名*/  
> char \*\*h\_aliases; /*主机别名*/  
> int h\_addrtype; /*主机 IP 地址类型 IPv4 为 AF\_INET*/  
> int h\_length; /*主机 IP 地址字节长度，对于 IPv4 是 4 字节，即 32 位*/  
> char \*\*h\_addr\_list; /*主机的 IP 地址*/  
> \}  
> addr :IP 地址,通过函数 inet\_aton()转换  
> len : IP 地址的长度, AF\_INET 为 4。  
> family 可用 AF\_INET:Ipv4 或 AF\_INET6： Ipv6

**2.5:字节序：**

不同类型CPU的主机中，内存存储多字节整数序列有两种方法，称为主机字节序(HBO)：

> 小端序（little-endian）  
> 存储数据是先存最低有效位  
> 低序字节存储在低地址，Intel、AMD等采用的是这种方式  
> 大端序（big-endian）  
> 存储数据是先存最高有效位  
> 高序字节存储在低地址，ARM、Motorola等所采用  
> 网络中传输的数据必须按网络字节序，即大端字节序  
> 当应用进程将整数送入socket前，需要转化成网络字节序；当应用进程从socket取出整数后，要转化成主机节序

转化：

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
     //本函数将一个32位数从主机字节顺序转换成无符号长整型网络字节顺序
      //host  ----> network   long
      uint16_t htons(uint16_t hostshort);
      //将一个无符号短整型的主机数值转换为网络字节顺序
       //short
      uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
      //将一个无符号长整形数从网络字节顺序转换为主机字节顺序。
      uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
      //将一个16位数由网络字节顺序转换为主机字节顺序。

2.5：socket系统调用：

socket（）
     系统调用创建一个新的socket
     bind（）
     系统调用将一个socket绑定到一个地址上，统称，服务器需要使用这个调用来将其socket绑定到一个总所周知的地址上使得客户端能够定位到该socket上
     listen（）
     系统调用允许一个流socket接收来自其他socket的介接入链接
     accept（）
     系统调用在一个监听流socket上接受来自一个队等应用程序的连接，并可选的返回对等socket的地址
     connect（）
     系统调用建立与另一个socket之间的连接

**3.套接字编程：**

**服务器操作流程：**  
**3.1：什么是套接字：**

网络接口函数集，打开的网络，对比文件操作中的文件描述符，socket有描述符、IP地址、端口号等  
**分类：**

> 流式套接字（SOCK\_STREAM）：  
> 提供可靠的、面向连接的通信流，保证数据传输的正确性和顺序性—TCP  
> 数据报（SOCK\_DGRAM）：  
> 无连接的服务，独立报文传输，无序，不保证是可靠、无差错的----UDP  
> 原始套接字(SOCK\_RAW)：很少用，对底层协议直接访问，用于一些协议开发

**3.2:创建socket，用socket函数:**

原型:

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

头文件:  
\#include <sys/socket.h>  
参数:

> domain: 网域  
> AF\_INET ：IPv4  
> AF\_INET6 :IPv6  
> AF\_UNIX ：本地通讯  
> type：选择传输协议 tcp /udp  
> SOCK\_STREAM ；tcp  
> SOCK\_DGRAM ： udp  
> protocol： 基本废弃，一般赋0

返回值:  
成功返回描述网络套接字sockfd，失败返回-1

**3.3:绑定ip和端口号等信息socket**  
**用bind函数：**  
功能：  
绑定一个端口号和 IP 地址，使套接口与指定的端口号和 IP 地址相关联。  
原型：

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

头文件：  
\#include <sys/socket.h>

参数：

> sockfd 为前面 socket 的返回值  
> my\_addr:封装ip地址和端口号：

struct sockaddr //此结构体不常用
    {
        
    unsigned short int sa_family; //调用 socket（）时
    的 domain 参数，即 AF_INET 值。
    char sa_data[14]; //最多使用 14 个字符长度
    };
    
    #include<netinet/in.h>
    struct sockaddr_in //常用的结构体
    {
        
    unsigned short int sin_family; //AF_INET
    uint16_t sin_port; //为使用的 port 编号
    = htons(12345)
    struct in_addr sin_addr; //为 IP 地址
    unsigned char sin_zero[8]; //未使用
    };

> addrlen：第二个参数大小

返回值:  
成功则返回 0，失败返回-1

**3.4:设置允许的最大连接数:**

**listen函数:**  
功能:  
使服务器的这个端口和 IP 处于监听状态，等待网络中某一客户机的连接请求。如果客户端有连接请求，端口就会接受这个连接。  
原型:

int listen(int sockfd, int backlog);

头文件:  
\#include <sys/socket.h>  
参数:

> sockfd 为前面 socket 的返回值.即 sfd  
> backlog 指定同时能处理的最大连接要求，通常为 10 或者 5。 最大值可设至 128

返回值：  
成功则返回 0，失败返回-1

**3.5:等待来自客户端的连接请求：**  
accept函数：  
功能：  
接受远程计算机的连接请求，建立起与客户机之间的通信连接  
原型

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

头文件：  
\#include <sys/socket.h>  
参数：

> sockfd 为前面 socket 的返回值.即 sfd  
> addr:用于接受客户端的ip地址和端口号  
> addrlen:第二个参数大小

返回值:  
返回新的套接字描述符，专门用于与建立的客户端通信，失败-1

**3.6:收发数据：**

**TCP：**  
发送：  
功能：  
用新的套接字发送数据给指定的远端主机  
原型

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

头文件：  
\#include <sys/socket.h>  
参数：

> s：新的套接字  
> buf:要发送的数据缓冲区  
> len: 数据长度  
> flags： 一般赋0 .阻塞

返回值:  
成功返回真正发送的数据长度，失败-1  
接收:  
功能:  
用新的套接字来接收远端主机传来的数据，并把数据存到由参数 buf 指向的内存空间  
原型:

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

头文件:  
\#include <sys/socket.h>  
参数:

> s：新的套接字  
> buf:存放接收数据的缓冲区  
> len: 数据长度  
> flags： 一般赋0 .阻塞

返回值:  
成功返回真正接收的数据长度，失败-1

**udp:**  
发送:  
原型:

ssize_t sendto(int s, const void *buf, size_t len, int
    flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);

头文件:  
\#include <sys/socket.h>  
参数:

> s：新的套接字  
> buf:要发送的数据缓冲区  
> len: 数据长度  
> flags： 一般赋0 .阻塞  
> to：服务器ip和端口号  
> tolen；上一个参数大小

返回值:  
成功返回真正发送的数据长度，失败-1

接收:  
原型:

ssize_t recvfrom(int s, void *buf, size_t len, int flags,
    struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen);

头文件:  
\#include <sys/socket.h>  
参数:

> s：新的套接字  
> buf:要发送的数据缓冲区  
> len: 数据长度  
> flags： 一般赋0 .阻塞  
> from：源机地址和端口号  
> tolen：地址长度

返回值:  
成功返回真正接收的数据长度，失败-1

**3.7:关闭网络连接:**

close(sockfd);

**客户端操作流程：**

**3.1： 创建socket，用socket函数；**

**3.2：设置要连接的服务器的ip地址和端口等属性  
连接服务器**  
用connect函数：  
功能：  
用来请求连接远程服务器， 将参数 sockfd 的 socket 连至参数 serv\_addr 指定的服务器 IP和端口号上去  
原型：

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

头文件：  
\#include <sys/socket.h>  
参数：

> sockfd 为前面 socket 的返回值，即 sfd  
> serv\_addr 为结构体指针变量，存储着远程服务器的 IP 与端口号信息。  
> addrlen 表示结构体变量的长度

返回值:  
成功则返回 0，失败返回-1

**3.3:收发数据，send和recv或者read和write**  
**3.4:关闭网络连接**

案例演示：  
实现不同主机之间的服务器和客户端之间的通信交流：  
(下面代码只能实现一台主机和服务器之间的通信)

**参考代码：**  
sever.c

#include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #define PORT 6789
    #define IP "192.168.43.156"
    /*
     TCP 服务器
     1. 创建套节字
     2. 绑定 IP 端口
     3. 监听
     4. 等待连接
     5. 收发数据
     6. 关闭
    */
    int main()
    {
        
     int ret;
     //创建套节字
     int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
     if(sockfd == -1)
     {
        
      perror("socket");
      return -1;
     }
     printf("连接套节字 创建成功\n");
     //绑定
     struct sockaddr_in addr,cli_addr;
     int len = sizeof(struct sockaddr_in);
     addr.sin_family = AF_INET;
     addr.sin_port = htons(PORT);
     addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
     ret = bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,len);
     if(ret == -1)
     {
        
      perror("bind");
      return -1;
     }
     printf("绑定成功\n");
     //监听
     ret = listen(sockfd,3);
     if(ret == 0)
      printf("监听成功\n");
     else
      return -1; 
     //等待连接
     int comfd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)&cli_addr,&len);
     if(comfd == -1)
      return -1;
     printf("客户端 %s 已连接\n",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr));
     //收发数据 
     char r_buf[100]={
        0};
     char w_buf[100]={
        0};
     while(1)
     {
        
      memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
      ret = recv(comfd,r_buf,sizeof(r_buf),0);
      if(ret == -1)
       return -1;
      printf("server recv: %s\n",r_buf);
      printf("server 发送:");
      memset(w_buf,0,sizeof(w_buf));
      scanf("%s",w_buf);
      send(comfd,w_buf,sizeof(w_buf),0);
     }
     //关闭
     close(sockfd);
     close(comfd);
     return 0;
    }

client.c

#include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #define PORT 6789
    #define IP "192.168.43.156"
    /*
     TCP 客户端
     1. 创建套节字
     2. 连接服务器
     3. 收发数据
     4. 关闭
    */
    int main()
    {
        
     int ret;
     //创建套节字
     int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
     if(sockfd == -1)
     {
        
      perror("socket");
      return -1;
     }
     printf("连接套节字 创建成功\n");
     //连接
     struct sockaddr_in addr;
     int len = sizeof(struct sockaddr_in);
     addr.sin_family = AF_INET;
     addr.sin_port = htons(PORT);
     addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
     ret = connect(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,len);
     if(ret == -1)
     {
        
      perror("bind");
      return -1;
     }
     printf("连接成功\n");
     //收发数据 
     char r_buf[100]={
        0};
     char w_buf[100]={
        0};
     while(1)
     {
         
      printf("client 发送:");
      memset(w_buf,0,sizeof(w_buf));
      scanf("%s",w_buf);
      send(sockfd,w_buf,sizeof(w_buf),0);
      memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
      ret = recv(sockfd,r_buf,sizeof(r_buf),0);
      if(ret == -1)
       return -1;
      printf("client recv: %s\n",r_buf);
      }
     //关闭
     close(sockfd);
     return 0;
    }

ifconfig

![在这里插入图片描述][20201024110145907.png_pic_center]

运行结果：  
![在这里插入图片描述][20201024110113102.png_pic_center]

**补充：重要的数据结构：**

**数据结构体**：

> struct sockaddr \{  
> unsigned short sa\_family; /*地址族*/ ipv4 ipv6  
> char sa\_data\[14\]; /\*14 节的协议地址，包含该 socket 的 IP 地址和端口号。  
> \*/  
> \};

**常用结构体**：

> struct sockaddr\_in \{  
> \_\_kernel\_sa\_family\_t sin\_family; /\* short int型 地址族 2 个字节 Address family */  
> \_\_be16 sin\_port; /* unsigned short int 型 端口号 2 个字节，区分应用 Port number  
> */  
> struct in\_addr sin\_addr; /* IP 地址 4 个字节 Internet address \*/  
> /\*填充 0 以保持与 struct sockaddr 同样大小 Pad to size of \`struct sockaddr’.  
> \*/  
> unsigned char \_\_pad\[**SOCK\_SIZE** \- sizeof(short int) -  
> sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in\_addr)\];  
> \};

**sa\_family:**  
![在这里插入图片描述][20201024110405296.png_pic_center]

AF:  
address family  
地址族  
PF:  
procotol family  
协议族

**sa\_data:**  
14字节的特定协议地址

> 参考结构流程图：  
> [Linux网络编程][Linux]  
> 注：需要使用xmind软件进行查看

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221122/d9bda5418d254f1da171940d74012a27.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221122/eb9ebdc8cc0641168d061656fa36d349.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20221122/f8e5ce4e8c2c4257bb99adfa508826f3.png
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[Linux]: https://kdocs.cn/l/snAbiViiXmsN?f=141%20%5B%E6%96%87%E4%BB%B6%5D%20Linux%E7%BD%91%E7%BB%9C%E7%BC%96%E7%A8%8B.xmind