网络编程---TCP/UDP套接字编程原理

本篇介绍的是Linux下的网络编程，故有些接口是不适用于Windows的，但是具体概念和实现方法是大体一致的
本篇重在讲解原理，具体实现请戳这里->UDP套接字编程实现

介绍

• 网络编程套接字(socket)也是进程间通信的一种方式，但是不同于管道，消息队列，共享内存的是socket不仅可以实现本机内不同进程间的通信，也可以实现网络中两台不同主机间的进程通信。

• socket相当于是一个文件描述符，我们将数据写入socket中，再发到目标主机，目标主机接收socket，再从socket中读取数据，至此便实现了网络中两台主机间的数据传输，即进程通信。

• 举个栗子：如果是两个人进行通信的话，首先要知道彼此的电话号码，而且要明确两个人谈论的事项，即使是闲聊也算生活事项的一种。网络中的两台主机进行通信也是如此，电话号码即彼此的ip地址，谈论的事项即彼此主机上确定的一个端口号

解释ip地址+端口号

网络编程套接字可以看做是ip地址+端口号，ip地址为了明确网络中唯一一台主机，而端口号确定了这台主机上的唯一一个进程，因为一个端口号只能被一个进程占用，而且只有网络进程才有端口号。

IP地址

IP协议有两个版本，IPv4和ipv6，现在普遍用的都是IPv4，IPv6是为了解决现有的IP地址可能不够的情况，但还没有普及开来。我们接下来使用的全是IPv4协议。

• IP地址是在IP协议中，用来标识网络中不同主机的地址；
• 对于IPv4来说，IP地址是一个4字节，32位的整数；
• 我们通常也使用“点分十进制”的字符串标识IP地址，例如192.168.0.1；用点分割的每一个数字表示一个字节，范围是0~255。

端口号

端口号是传输层协议的内容

• 端口号是一个2字节16位的整数；
• IP地址+端口号用来标识网络中某一台主机上的唯一一个进程；
• 一个端口号只能被一个进程占用，只有网络进程才有端口号。

网络字节序

大家可能刚看到这个觉得有点陌生，我来为大家解释一下。

　　我们都知道我们的计算机存储数据时是分大端和小端的，而且主机和主机之间的存储模式是不固定的，也就是没有统一的标准，即如果你是大端的模式，而对方却是小端的模式，你们在交换数据时就会发生错误，所以为了避免差异化，TCP/IP协议规定，网络数据流应采用大端字节序，即低地址存放数据的高字节。

　　无论当前主机是大端机还是小端机，是发送端还是接收端，都要按照这个TCP/IP协议规定的网络字节序来处理数据，如果当前发送主机是小端。则需要先将数据转成大端；否则就忽略，直接发送即可；

　　调用以下库函数可以实现网络字节序和主机字节序之间的转换

#include 

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
//将32位的长整数从主机字节序转换位网络字节序
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

• h表示host，n表示network，l表示32位长整数，s表示16位短整数。
• 如果主机是小端字节序，则函数内部会转换成大端，如果主机是大端，则函数内部不做转换

socket编程接口

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socket常用API

//创建 socket 文件描述符(TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
//domain: 一个地址描述。目前仅支持AF_INET，，代表sockaddr_in结构体
//type： 服务类型，UDP为SOCK_DGRAM, TCP为SOCK_STREAM
//protocol: 套接口所用的协议。如调用者不想指定，可用0指定，表示缺省。
int socket (int domain, int type, int protocol);

//绑定端口号（TCP/UDP, 服务器）
//客户端不用该接口，而且对于服务器而言，端口号必须是众所周知，不可修改的
int band (int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

//开始监听 socket(TCP, 服务器)
//作用:将套接字由新创建状态设置为监听状态，即监听是否有客户端请求连接
//backlog： 监听队列，不要设置的太大，5~10就差不多了，避免浪费资源
int listen(int socket, int backlog);

//接受请求(TCP, 服务器)
//与客户端连接成功后，返回一个用于服务的文件描述符，也可以当做是客户端的文件描述符，用于写入和读取数据
//否则进行阻塞式等待，失败返回-1
int accept (int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);

//建立连接(TCP， 客户端)
int connect (int socket,const struct sockaddr* address, socklen_t addrlen);

sockaddr结构

socket常见API中经常出现sockaddr*，下面就为大家详解该结构体的作用以及用法 .

• sockaddr用于存储参与套接字通信的一个计算机上的IP协议地址。为了统一地址结构的表示方法 ，统一接口函数，使得不同的地址结构可以被bind()、connect()、recvfrom()、sendto()等函数调用。

• 但一般的编程中并不直接对此数据结构进行操作，而使用另一个与之等价的数据结构sockaddr_in。实际填充字段的每一部分则遵循sockaddr_in数据结构，两者大小都是16字节，所以二者之间可以进行切换。

• sockaddr

struct sockaddr {
　　unsigned short sa_family; //：是2字节的地址家族，一般都是“AF_xxx”的形式，通常用AF_INET
　　char sa_data[14]; //14字节的地址数据
　　}

• sockaddr_in

struct sockaddr_in {
　　short int sin_family; /* Address family */
　　unsigned short int sin_port; /* Port number */
　　struct in_addr sin_addr; /* Internet address */
　　unsigned char sin_zero[8]; /* Same size as struct sockaddr */
　　};
　　//sin_family：指代协议族，在socket编程中只能是AF_INET
　　//sin_port：存储端口号（使用网络字节顺序）
　　//sin_addr：存储IP地址，使用in_addr这个数据结构
　　//sin_zero：是为了让sockaddr与sockaddr_in两个数据结构保持大小相同而保留的空字节。

• sockaddr_in 中的 in_addr

typedef struct in_addr {
　　union {
　　struct{ unsigned char s_b1,s_b2, s_b3,s_b4;} S_un_b;
　　struct{ unsigned short s_w1, s_w2;} S_un_w;
　　unsigned long S_addr;
　　} S_un;
　　} IN_ADDR;

阐述下in_addr的含义，很显然它是一个存储ip地址的共用体有三种表达方式：

第一种用四个字节来表示IP地址的四个数字；
第二种用两个双字节来表示IP地址；
第三种用一个长整型来表示IP地址。

　　给in_addr赋值的一种最简单方法是使用inet_addr函数，它可以把一个代表IP地址的字符串赋值转换为in_addr类型，如addrto.sin_addr.s_addr=inet_addr(“192.168.0.2”);
　　其反函数是inet_ntoa，可以把一个in_addr类型转换为一个字符串。