Linux网络——网络编程的基本知识、socket网络编程接口和UDP网络程序实战

男娘i 2023-01-21 02:09 174阅读 0赞

# 一、网络编程基本知识 #

## 1.1 源IP地址和目的IP地址 ##

*  在ip数据包头部，有两个ip地址，分别叫做源ip地址和目的ip地址
 *  源ip地址标记着数据是从哪里发出来的，目的ip地址表示发往那台主机

**IP地址标定全网内唯一一台主机**

## 1.2 端口号和PID ##

1.  端口号(port)是传输层协议的内容.

*  端口号是一个**2字节16位的整数**;
 *  端口号用来**标识一个进程**, 告诉操作系统, 当前的这个数据要交给哪一个进程来处理;
 *  **IP地址 + 端口号能够标识网络上的某一台主机的某一个进程**，进一步可认为全网内唯一的一个进程
 *  一个端口号只能被一个进程占用

**端口号标定了特定一台主机上的唯一进程**  
2. 端口号和pid的关系

*  每个进程都会有PID，PID也是进程的唯一标识
 *  只有网络进程才有端口号
 *  一个进程可以有多个端口号

## 1.3 认识TCP协议 ##

我们先对TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)有一个直观的认识; 后面我们再详细讨论TCP的一些细节问题.

*  传输层协议
 *  有连接
 *  可靠传输
 *  面向字节流

我们只要知道TCP是**有连接的面向字节流的可靠传输**，TCP要保证数据的可靠性，即不能丢失，因此**效率相对来说更低**。

## 1.4 认识UDP协议 ##

此处我们也是对UDP(User Datagram Protocol 用户数据报协议)有一个直观的认识; 后面再详细讨论.

*  传输层协议
 *  无连接
 *  不可靠传输
 *  面向数据报

同样我们只要知道UDP是**无连接面向数据报的不可靠传输**，UDP不管数据可靠性，只负责传输数据，因此更加**简单高效**

## 1.5 网络字节序 ##

*  对于我们用的笔记本电脑，通常都是**小端机**，即**低地址放低权值位**
 *  对于我们人来说更习惯大端机读取方式，即**低地址放高权值位**，而我们又习惯从低地址开始读数据，如下面的栗子，  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70]

机器有大小端之分，那么**如何定义网络数据流的地址呢**?

*  **发送主机**通常将发送缓冲区中的数据**按内存地址从低到高的顺序发出**;
 *  **接收主机**把从网络上接到的字节依次保存在接收缓冲区中,**也是按内存地址从低到高的顺序保存**;

因此,网络数据流的地址应这样规定:**先发出的数据是低地址,后发出的数据是高地址**.

*  TCP/IP协议规定,网络数据流应**采用大端字节序,即低地址高字节**.
 *  不管这台主机是大端机还是小端机, 都会按照这个TCP/IP规定的网络字节序来发送/接收数据;
 *  **如果当前发送主机是小端, 就需要先将数据转成大端**; 否则就忽略, 直接发送即可

## 1.6 网络字节序转换接口 ##

为使网络程序具有可移植性,使同样的C代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行,可以调用以下库函数做网络字节序和主机字节序的转换

> `#include<arpa/inet.h> //头文件`  
> `uint32_t htonl(uint32_t hostlong);`  
> `uint16_t htons(uint16_t hostshort);`  
> `uint32_t ntohl(uint_32 netlong)`  
> `uint16_t ntohs(uint_16 netshort)`

速记原则

*  **h代表host主机，n代表network网络**
 *  **l代表32位长整数，s代表16位短整数**
 *  例如htonl表示将32位的长整数从主机字节序转换为网络字节序,例如将IP地址转换后准备发送
 *  如果主机是小端字节序,这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回;
 *  如果主机是大端字节序,这些 函数不做转换,将参数原封不动地返回。

# 二、socket网络编程接口 #

## 2.1 socket 常见API ##

### <1> 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器) ###

`int socket(int domain, int type, int protocol);`  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

### <2> 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器) ###

`int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);`

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 2.1 sockaddr结构 ##

socket API是一层抽象的网络编程接口,适用于各种底层网络协议,如IPv4、 IPv6,以及UNIX DomainSocket. 然而, 各种网络协议的地址格式并不相同.

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

*  Pv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中,IPv4地址用sockaddr\_in结构体表示,包括**16位地址类型, 16位端口号和32位IP地址**.
 *  IPv4、 IPv6地址类型分别定义为常数**AF\_INET、 AF\_INET6**. 这样,只要取得某种sockaddr结构体的首地址,不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体,就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容.
 *  socket API可以\**都用struct sockaddr 类型表示, 在使用的时候需要强制转化成sockaddr\_in*; 这样的好处是程序的通用性, 可以接收IPv4, IPv6, 以及UNIX Domain Socket各种类型的sockaddr结构体指针做为参数;

### <1> sockaddr结构 ###

![在这里插入图片描述][20210514163049494.png]

### <2> sockaddr\_in结构 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

### <3> in\_adr结构 ###

![在这里插入图片描述][2021051416330944.png]

# 三、简单的UDP网络程序 #

进行通信就需要收发数据，因此还需要两个接口用来收发数据

1.  收数据  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]
2.  发数据  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

## 3.1 服务器端代码 ##

1.  udpServer.hpp

#include<iostream>
    #include<unistd.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/socket.h>
    #include<arpa/inet.h>
    #include<netinet/in.h>
    
    class udpServer
    {
        
      private:
        std::string _ip;  //ip地址
        int _port; //端口号
        int _sock; //套接字文件描述符
      public:
        //构造函数
        udpServer(std::string ip = "127.0.0.1", int port = 8080)
          :_ip(ip)
          ,_port(port)
        {
        }
        //初始化服务器
        void initServer()
        {
        
          //1.创建套接字
          _sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); 
          std::cout << "sock:"<< _sock << std::endl;
          //2.填重结构体协议，ip，_port
          struct sockaddr_in local;
          local.sin_family = AF_INET;
          local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());
          local.sin_port = htons(_port);
          //3.绑定端口,失败直接结束进程
          if(bind(_sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0)
          {
        
            std::cerr << "bind failed!" << std::endl;
            exit(1);
    
          }
        }
        //启动服务器
        void start()
        {
        
          //1.创建字符串接收数据
          std::cout << "---";
          char msg[64] = "\0";
          while(1)
          {
        
            //定义远端addr结构体用于接收ip地址等
            struct sockaddr_in end_point;
            socklen_t len = sizeof(end_point);
            ssize_t s = recvfrom(_sock, msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr*)&end_point, &len);
            if(s > 0)
            {
        
              std::cout << "client#"<< msg << std::endl;
              std::string echo_string = msg;
              echo_string += "[server echo!]";
              sendto(_sock, echo_string.c_str(), echo_string.size(), 0, (struct sockaddr*)&end_point, len);
              
            }
    
          }
        }
        //析构函数
        ~udpServer()
        {
        
          close(_sock);
        }
    };

1.  udpServer.cc

这里我们借助命令行参数，规定使用该程序时需要输入IP地址和端口号

#include "udpServer.hpp"
    
    void Usage(std::string proc)
    {
        
      std::cout << "Usage:" << proc << " server_ip server_port"<< std::endl;
    }
    
    //./udpServer ip port
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        
    
      if(argc != 3)
      {
        
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
      }
      udpServer *up = new udpServer(argv[1],atoi(argv[2]));
      up->initServer();
      up->start();
    
      delete up;
      return 0;
    }

## 3.2 客户端代码 ##

1.  udpClient.hpp  
    作为客户端只需要创建套接字，不需要绑定端口等操作

#include<iostream>
    #include<unistd.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/socket.h>
    #include<arpa/inet.h>
    #include<netinet/in.h>
    
    class udpClient
    {
        
      private:
        std::string _ip;  //ip地址
        int _port; //端口号
        int _sock; //套接字文件描述符
      public:
        //构造函数
        udpClient(std::string ip = "127.0.0.1", int port = 8080)
          :_ip(ip)
          ,_port(port)
        {
        }
        //初始化
        void initClient()
        {
        
          //1.创建套接字
          _sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); 
          std::cout << "sock:"<< _sock << std::endl;
         // //2.填重结构体协议，ip，_port
         // struct sockaddr_in peer;
         // peer.sin_family = AF_INET;
         // peer.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());
         // peer.sin_port = htons(_port);
         // //3.绑定端口,失败直接结束进程
         // if(bind(_sock,(struct sockaddr*)&peer,sizeof(local)) < 0)
         //   std::cerr << "bind failed!" << std::endl;
         //   exit(1);
        }
        //启动
        void start()
        {
        
          std::string msg;
          struct sockaddr_in peer;
          peer.sin_family = AF_INET;
          peer.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());
          peer.sin_port = htons(_port);
    
          while(1)
          {
        
            std::cout << "Please enter your msg:#";
            std::cin >> msg;
            if(msg == "quit")
              break;
            sendto(_sock, msg.c_str(), msg.size(), 0, (struct sockaddr*)&peer, sizeof(peer));
    
            char echo[128];
            ssize_t s = recvfrom(_sock, echo, sizeof(echo)-1, 0, nullptr, nullptr);
            if(s >0){
        
              echo[s] = 0;
              std::cout << "server# " << echo << std::endl;
           } 
          }
        }
        //析构函数
        ~udpClient()
        {
        
          close(_sock);
        }
    };

1.  udpClient.cc

#include "udpClient.hpp"
    
    void Usage(std::string proc)
    {
        
      std::cout << proc << "Server_IP" << " server_port" << std::endl;
    }
    
    int main(int argc, char * argv[])
    {
        
      if(argc != 3)
      {
        
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
      }
      udpClient *uc = new udpClient(argv[1],atoi(argv[2]));
      uc->initClient();
      uc->start();
    
      delete uc;
      return 0;
    }

## 3.3 Makefile ##

.PHONY:all
    all:udpClient udpServer
    udpClient:udpClient.cc
    	g++ -o $@ $^ -std=c++11
    udpServer:udpServer.cc
    	g++ -o $@ $^
    .PHNOY:clean
    clean:
    	rm -f udpClient udpServer

## 3.4 结果 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221021/9fa64dc873b347bdb81cba23bfb09321.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221021/ee53dfcc8fb54815a7c5e904f630f070.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221021/b1cfc99ecbee47858a1f4c37c59343f6.png
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[20210514163049494.png]: /images/20221021/f4a6d014247f4389b5c049ac66dcdc25.png
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[2021051416330944.png]: /images/20221021/f5e43c78c79e4c798e4d5eb9ab2b7b12.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20221021/7be0ec07b2d8408684f9cb1c1bfa7106.png