Linux编程学习笔记：网络编程
一、Linux网络概述
Linux为用户提供了完善的、强大的网络功能
1、完善的内置网络，其他操作系统不包含如此紧密的和内核结合的网络部分
2、Linux免费提供了大量支持Internet的软件，Internet是在Unix领域中建立并繁荣起来的，在这方面使用Linux是相当方便的，用户能用Linux与世界上的其他人通过Internet网络进行通信
3、用户能通过一些Linux命令完成内部信息或文件的传输
4、对远程访问的支持
5、安全可靠，采用多种安全技术的措施为用户提供了安全保障
网络模型
第一部分为网络层协议：Internet协议（IP），网络控制报文协议（ICMP）和地址解析协议（ARP）
第二部分是传输层协议：传输控制协议（TCP）（面向连接的可靠的）和用户数据报文协议（UDP）（不可靠的非连接）
第三部分为应用层协议：Telnet、文件传输协议（FTP和TFTP）、简单文件传输协议（SMTP）和域名服务（DNS）等
协议封装
使用wireshark抓包分析
层层封装：以太网->IP->TCP
以太网->IP->TCP->HTTP
以太网包
IP协议
IP协议的功能：数据传送、寻址、路由选择、数据报文的分段
主要目的是为数据输入、输出网络提供基本算法，为高层协议提供无连接的传送服务，这意味着IP将数据递交给接收站点以前不在传输站点和接收站点之间建立对话，它只是封装和传递数据，但不向发送者或接受者报告包的状态，不处理所遇到的故障
由协议头和协议数据构成
TCP协议
是重要的传输层协议，目的是允许数据同网络上的其他节点进行可靠的交换，它能提供端口编号的译码，以识别主机的应用程序，而且完成数据的可靠传输
TCP协议具有严格的内装差错检验算法确保数据的完整性
TCP是面向字节的顺序协议，这意味着包内的每个字节被分配一个顺序编号，并分配给每包一个顺序编号
UDP协议
也是传输层协议，它是无连接的，不可靠的传输服务。当接收数据时它不向发送方提供确认信息，它不提供输入包的顺序，如果出现丢失包或重份包的情况，也不会向发送方发出差错报文。由于它执行功能时具有较低的开销，因而执行速度比TCP快
二、Linux网络编程基础
Socket
Linux中的网络编程通过Socket（套接字）实现，Socket是一种文件描述符
三种类型
1、流式套接字（SOCK_STREAM）
可以提供可靠的、面向连接的通讯流，它使用TCP协议，TCP保证了数据传输的正确性和顺序性
2、数据报套接字（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，并且不保证可靠，无差错，它使用数据报协议UDP
3、原始套接字（SOCK_RAW）
允许使用IP协议，主要用于新的网络协议的测试等
网络地址
struct sockaddr
{
u_short sa_family;
char sa_data[14];
}sa_family：协议族，采用‘AF_xxx’的形式，如：AF_INET（IP协议族）
sa_data：14字节的特定协议地址
地址结构
另外一个结构
地址转换
IP地址通常由数字加点的形式表示，而在struct in_addr中爱是用的IP地址是由32位的整数表示的
int inet_aton(const char *cp,struct in_addr *inp)
char * inet_ntoa(struct in_addr in)
前者字符串->32位整数，后者32位数字->字符串
字节序
网络上同一使用big endian，低字节先传输
当内部字节存储顺序和网络字节序不同就需要转换
为什么需要，例子：
转换：
htons：把unsigned short类型从主机序转换到网络序（发送）
htonl：把unsigned long类型从主机序转换到网络序 （发送）
ntohs：把unsigned short类型从网络序转换到主机序（接收）
ntohl：把unsigned long类型从网络序转换到主机序（接收）
IP与主机名
Socket编程函数
socket：创建一个socket
bind：用于绑定IP地址和端口号到socket
connect：用于与服务器建立连接
listen：设置服务器能处理的最大连接要求
accept：用来等待来自服务端的socket连接请求
send：发送数据
recv：接收数据
三、基于TCP
服务器
客户端
通信模型
示例代码tcp_server.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define portnumber 3333
int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd,new_fd;
struct sockaddr_in server_addr;
struct sockaddr_in client_addr;
int sin_size;
int nbytes;
char buffer[1024];
/* 服务器端开始建立sockfd描述符 */
if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) // AF_INET:IPV4;SOCK_STREAM:TCP
{
fprintf(stderr,"Socket error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 服务器端填充 sockaddr结构 */
bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in)); // 初始化,置0
server_addr.sin_family=AF_INET; // Internet
server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); // (将本机器上的long数据转化为网络上的long数据)和任何主机通信 //INADDR_ANY 表示可以接收任意IP地址的数据，即绑定到所有的IP
//server_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.1.1"); //用于绑定到一个固定IP,inet_addr用于把数字加格式的ip转化为整形ip
server_addr.sin_port=htons(portnumber); // (将本机器上的short数据转化为网络上的short数据)端口号
/* 捆绑sockfd描述符到IP地址 */
if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1)
{
fprintf(stderr,"Bind error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 设置允许连接的最大客户端数 */
if(listen(sockfd,5)==-1)
{
fprintf(stderr,"Listen error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}
while(1)
{
/* 服务器阻塞,直到客户程序建立连接 */
sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
if((new_fd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)(&client_addr),&sin_size))==-1)
{
fprintf(stderr,"Accept error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}
fprintf(stderr,"Server get connection from %s\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr)); // 将网络地址转换成.字符串
if((nbytes=read(new_fd,buffer,1024))==-1)
{
fprintf(stderr,"Read Error:%s\n",strerror(errno));
exit(1);
}
buffer[nbytes]='\0';
printf("Server received %s\n",buffer);
/* 这个通讯已经结束 */
close(new_fd);
/* 循环下一个 */
}
/* 结束通讯 */
close(sockfd);
exit(0);
}
示例代码tcp_client.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define portnumber 3333
int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd;
char buffer[1024];
struct sockaddr_in server_addr;
struct hostent *host;
/* 使用hostname查询host 名字 */
if(argc!=2)
{
fprintf(stderr,"Usage:%s hostname \a\n",argv[0]);
exit(1);
}
if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL)
{
fprintf(stderr,"Gethostname error\n");
exit(1);
}
/* 客户程序开始建立 sockfd描述符 */
if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) // AF_INET:Internet;SOCK_STREAM:TCP
{
fprintf(stderr,"Socket Error:%s\a\n",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 客户程序填充服务端的资料 */
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化,置0
server_addr.sin_family=AF_INET; // IPV4
server_addr.sin_port=htons(portnumber); // (将本机器上的short数据转化为网络上的short数据)端口号
server_addr.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr); // IP地址
/* 客户程序发起连接请求 */
if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1)
{
fprintf(stderr,"Connect Error:%s\a\n",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 连接成功了 */
printf("Please input char:\n");
/* 发送数据 */
fgets(buffer,1024,stdin);
write(sockfd,buffer,strlen(buffer));
/* 结束通讯 */
close(sockfd);
exit(0);
}
运行结果：客户端
[gyy@localhost TCP]$ gcc tcp_client.c -o tcp_client
[gyy@localhost TCP]$ ./tcp_client 192.168.1.30
Please input char:
12345运行结果：服务器
[gyy@localhost TCP]$ gcc tcp_server.c -o tcp_server
[gyy@localhost TCP]$ ./tcp_server
Server get connection from 192.168.1.30
Server received 12345代码分析：服务器三次阻塞：第一次等待连接，第二次等待读，第三次客户端发送完成后断开连接服务器等待连接
四、基于UDP
服务器
客户端
通信模型
示例代码udp_server.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVER_PORT 8888
#define MAX_MSG_SIZE 1024
void udps_respon(int sockfd)
{
struct sockaddr_in addr;
int addrlen,n;
char msg[MAX_MSG_SIZE];
while(1)
{ /* 从网络上读,并写到网络上 */
bzero(msg,sizeof(msg)); // 初始化,清零
addrlen = sizeof(struct sockaddr);
n=recvfrom(sockfd,msg,MAX_MSG_SIZE,0,(struct sockaddr*)&addr,&addrlen); // 从客户端接收消息
msg[n]=0;
/* 显示服务端已经收到了信息 */
fprintf(stdout,"Server have received %s",msg); // 显示消息
}
}
int main(void)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in addr;
/* 服务器端开始建立socket描述符 */
sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
if(sockfd<0)
{
fprintf(stderr,"Socket Error:%s\n",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 服务器端填充 sockaddr结构 */
bzero(&addr,sizeof(struct sockaddr_in));
addr.sin_family=AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
/* 捆绑sockfd描述符 */
if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr_in))<0)
{
fprintf(stderr,"Bind Error:%s\n",strerror(errno));
exit(1);
}
udps_respon(sockfd); // 进行读写操作
close(sockfd);
}
示例代码udp_client.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVER_PORT 8888
#define MAX_BUF_SIZE 1024
void udpc_requ(int sockfd,const struct sockaddr_in *addr,int len)
{
char buffer[MAX_BUF_SIZE];
int n;
while(1)
{ /* 从键盘读入,写到服务端 */
printf("Please input char:\n");
fgets(buffer,MAX_BUF_SIZE,stdin);
sendto(sockfd,buffer,strlen(buffer),0,addr,len);
bzero(buffer,MAX_BUF_SIZE);
}
}
int main(int argc,char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in addr;
if(argc!=2)
{
fprintf(stderr,"Usage:%s server_ip\n",argv[0]);
exit(1);
}
/* 建立 sockfd描述符 */
sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
if(sockfd<0)
{
fprintf(stderr,"Socket Error:%s\n",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 填充服务端的资料 */
bzero(&addr,sizeof(struct sockaddr_in));
addr.sin_family=AF_INET;
addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
if(inet_aton(argv[1],&addr.sin_addr)<0) /*inet_aton函数用于把字符串型的IP地址转化成网络2进制数字*/
{
fprintf(stderr,"Ip error:%s\n",strerror(errno));
exit(1);
}
udpc_requ(sockfd,&addr,sizeof(struct sockaddr_in)); // 进行读写操作
close(sockfd);
}
运行结果：客户端
[gyy@localhost UDP]$ gcc udp_client.c -o udp_client
[gyy@localhost UDP]$ ./udp_client 192.168.1.30
Please input char:
hello
Please input char:
world
Please input char:运行结果：服务器
[gyy@localhost UDP]$ gcc udp_server.c -o udp_server
[gyy@localhost UDP]$ ./udp_server
Server have received hello
Server have received world
五、服务器模型
在网络程序里，一般来说都是许多客户对应一个服务器，两种服务器模型
循环服务器、并发服务器
UDP循环服务器
TCP循环服务器
TCP循环服务器一次只能处理一个客户端的请求，只有在这个客户的所有请求都满足后，服务器才可以继续后面的请求。这样如果有一个客户端占住了服务器不放时，其它的客户机都不能工作了，因此TCP服务器一般很少用循环服务器模型
TCP并发服务器
示例代码：tcp_server_fork.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MY_PORT 3333
int main(int argc ,char **argv)
{
int listen_fd,accept_fd;
struct sockaddr_in client_addr;
int n;
if((listen_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
{
printf("Socket Error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}
bzero(&client_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
client_addr.sin_family=AF_INET;
client_addr.sin_port=htons(MY_PORT);
client_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
n=1;
/* 如果服务器终止后,服务器可以第二次快速启动而不用等待一段时间 */
setsockopt(listen_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&n,sizeof(int));
if(bind(listen_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,sizeof(client_addr))<0)
{
printf("Bind Error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}
listen(listen_fd,5);
while(1)
{
accept_fd=accept(listen_fd,NULL,NULL);
if((accept_fd<0)&&(errno==EINTR))
continue;
else if(accept_fd<0)
{
printf("Accept Error:%s\n\a",strerror(errno));
continue;
}
if((n=fork())==0)
{
//printf("OK\n");
/* 子进程处理客户端的连接 */
char buffer[1024];
close(listen_fd);
n=read(accept_fd,buffer,1024);
write(accept_fd,buffer,n);
printf("receive:%s\n",buffer);
close(accept_fd);
exit(0);
}
else if(n<0)
printf("Fork Error:%s\n\a",strerror(errno));
close(accept_fd);
}
}
示例代码：tcp_client.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define portnumber 3333
int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd;
char buffer[1024];
struct sockaddr_in server_addr;
struct hostent *host;
/* 使用hostname查询host 名字 */
if(argc!=2)
{
fprintf(stderr,"Usage:%s hostname \a\n",argv[0]);
exit(1);
}
if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL)
{
fprintf(stderr,"Gethostname error\n");
exit(1);
}
/* 客户程序开始建立 sockfd描述符 */
if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) // AF_INET:Internet;SOCK_STREAM:TCP
{
fprintf(stderr,"Socket Error:%s\a\n",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 客户程序填充服务端的资料 */
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化,置0
server_addr.sin_family=AF_INET; // IPV4
server_addr.sin_port=htons(portnumber); // (将本机器上的short数据转化为网络上的short数据)端口号
server_addr.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr); // IP地址
/* 客户程序发起连接请求 */
if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1)
{
fprintf(stderr,"Connect Error:%s\a\n",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 连接成功了 */
printf("Please input char:\n");
/* 发送数据 */
fgets(buffer,1024,stdin);
write(sockfd,buffer,strlen(buffer));
/* 结束通讯 */
close(sockfd);
exit(0);
}
运行结果：客户端1
[gyy@localhost TCP]$ gcc tcp_client.c -o tcp_client
[gyy@localhost TCP]$ ./tcp_client 192.168.1.30
Please input char:
This is the text from client1运行结果：客户端2
[gyy@localhost TCP]$ gcc tcp_client.c -o tcp_client
[gyy@localhost TCP]$ ./tcp_client 192.168.1.30
Please input char:
This is the text from client2运行结果：服务器
[gyy@localhost TCP]$ gcc tcp_server_fork.c -o tcp_server_fork
[gyy@localhost TCP]$ ./tcp_server_fork
receive:This is the text from client1
receive:This is the text from client2代码分析：代码分析：服务器可以同时处理多个请求