Socket网络编程

套接字概念

 

Socket本身有“插座”的意思，在Linux环境下，用于表示进程间网络通信的特殊文件类型。本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。

 

既然是文件，那么理所当然的，我们可以使用文件描述符引用套接字。与管道类似的，Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口，使得读写套接字和读写文件的操作一致。区别是管道主要应用于本地进程间通信，而套接字多应用于网络进程间数据的传递。

 

套接字的内核实现较为复杂，不宜在学习初期深入学习。

 

在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。“IP地址+端口号”就对应一个socket。欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。

套接字通信原理如下图所示：

套接字通讯原理示意

在网络通信中，套接字一定是成对出现的。一端的发送缓冲区对应对端的接收缓冲区。我们使用同一个文件描述符索发送缓冲区和接收缓冲区。

TCP/IP协议最早在BSD UNIX上实现，为TCP/IP协议设计的应用层编程接口称为socket API。现在的主要内容是socket API，主要介绍TCP协议的函数接口，最后介绍UDP协议和UNIX Domain Socket的函数接口。

 

网络编程接口

 

1、什么是计算机网络？

  多个计算机进行通信--->计算机网络。

2、计算机通信的复杂度

  (1)、传输信息的复杂度(种类、内容)；

  (2)、信息的数量

  (3)、传输距离(干扰...)

  (4)、信息的安全问题

  (5)、计算机体系的完整性和封闭性。

  既要保证计算机的封闭性，又要达成计算机的通信。

3、ip地址

  (1)、IP地址是有限的，需要一种方式将IP地址复用。

  (2)、IP地址的复用导致了数据传递的复杂性(ATM，存储转发机制；路由机制)。

  (3)、IP地址过于抽象不方便使用，于是给出了IP地址的人文化转义：域名。

  (4)、域名只能代表一个IP网络地址，于是就只能代表一个网络上的节点实体。

  (5)、实际上访问节点的时候，本质上使用的是IP地址，所以就需要将域名转化为IP地址(DNS...)

4、IP地址的分类

  (1)、IPv4地址是4字节的，中间以 . 划分；IPv6地址是16字节的；

  规定：在IP地址划分上，一般不取全0/全1;

  IP一般分为5类；

  Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ，一般常用的IP地址为A类，B类，C类；

A类IP：第一个字节是以0开头  0000 0000--->0111 1111  0~127

B类IP：第一个字节是以10开头  1000 0000--->1011 1111  128~191  

C类IP：第一个字节是以110开头   1100 0000--->1101 1111  192~223

  (2)、子网掩码：就是将网络号设置为1，主机号设置为0(对每一个字节的位进行设置)；

  例：C类IP地址，3个字节网络号和一个字节的主机号；

  1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000

     255       .     255     .      255     .     0

  (3)、子网划分：此时就存在C类地址的子网掩码不一定总是255.255.255.0;

  这还的看C类IP下面有没有子网划分，

  有子网划分的话，最后一个字节，也就是主机号可能为2段(01/10)、4段(00/01/10/11)

  例：192.168.3.11xx xxxx  1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100 0000

  此时对应的子网掩码为：255.255.255.192

  (4)、IOS和TCP/IP

模型分析

  (5)、端口号

  port：唯一标识应用程序的编号；

  我们之间通过QQ、微信、邮箱进行收发数据时，没有导致数据的错乱接收，是怎么做到的呢？又是怎么一一对应找到的呢？

  ：通过端口号，识别了电脑上的某一应用程序，也就是找对应的编号。

  我们在进行数据的发送时：首先通过IP寻找物理计算机，在根据port，寻找对应的应用程序。

  (6)、TCP和UDP

  UDP属于TCP/IP体系中的一部分。

  TCP协议和UDP协议都属于传输层协议。

  TCP协议：

  i>、面向连接的传输协议、可靠的、同步的；

  ii>、面向连接的网络传输特点：a、需要有一方主动的建立连接，另一方接收连接请求；b、只有建立了连接之后才能够进行数据的传输；c、当数据传输完毕之后，就需要释放连接，由连接的两端来共同决定连接是否保持。

  UDP协议：

  a、面向无连接的：即就是在进行数据传输的时候，不需要预先创建一个连接；

  b、不可靠的：无法知道发送的数据是否能够到达目的，也无法知道什么时候能够到达目的。

  c、异步的：

  (7)、TCP的三次握手、四次挥手

  TCP------->至少3次握手(最后一次防止误按，2次的话，有可能死锁)；    : 打电话模型

  模型分析

  TCP-------->4次挥手。  模型：男女朋友分手模型

  通过IP，只能保证物理上的连通，至于收发数据的形式是什么，都不归它管。

  127.0.0.1：本机回送地址，可作为测试本机使用，不安装网卡也是可以ping通的。

5、TCP的编程实现

  基础的socket编程对TCP的就是下面的步骤：

(1)、模型分析

(2)、代码实现

utili.h

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVER_PORT 9090
#define SERVER_IP  "127.0.0.1"
#define LISTEN_QUEUE    5
#define BUF_SIZE    255

服务器端代码：

#include"utili.h"//TCP
int main(void)
{
   int sockSer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   if(sockSer == -1){
       perror("socket");
       return -1;
 }  

   struct sockaddr_in addrSer, addrCli;
   addrSer.sin_family = AF_INET;
   addrSer.sin_port = htons(SERVER_PORT);
   addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

   int yes = 1;
   setsockopt(sockSer, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)); //地址、端口的重用

   socklen_t len = sizeof(struct sockaddr);
   int res = bind(sockSer, (struct sockaddr *)&addrSer, len);
   if(res == -1)
   {
       perror("bind");
       close(sockSer);
       return -1;
   }  

   res = listen(sockSer, LISTEN_QUEUE);
   if(res == -1)
   {
       perror("listen");
       close(sockSer);
       return -1;
   }

   int sockConn;
   char sendbuf[BUF_SIZE];
   char recvbuf[BUF_SIZE];
   while(1)
   {
       sockConn = accept(sockSer, (struct sockaddr *)&addrCli, &len);
       if(sockConn == -1){
           continue;
      }
       else
       {
           printf("Server Accept Client Connect OK\n");
       }
       printf("Ser :>");
       scanf("%s", sendbuf);
       if(strncmp(sendbuf, "quit", 4) == 0)
           break;
       send(sockConn, sendbuf, strlen(sendbuf)+1, 0);

       recv(sockConn, recvbuf, BUF_SIZE, 0);
       printf("Cli :>%s\n", recvbuf);    
   }
   close(sockSer);

   return 0;}

客户端代码：

#include"utili.h"//TCP
int main(void)
{
   int sockCli = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

   struct sockaddr_in addrSer;
   addrSer.sin_family = AF_INET;
   addrSer.sin_port = htons(SERVER_PORT);
   addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

   struct sockaddr_in addrCli;
   addrCli.sin_family = AF_INET;
   addrCli.sin_port = htons(7070);
   addrCli.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.155");

   int yes = 1;
   setsockopt(sockCli, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)); //地址、端口的重用

   socklen_t len = sizeof(struct sockaddr);

   int res = bind(sockCli, (struct sockaddr *)&addrCli, len);
   if(res == -1)
   {
       perror("bind");
       close(sockCli);
       return -1;
   }  

   res = connect(sockCli, (struct sockaddr*)&addrSer, len);
   if(res == -1)
   {
       perror("connect");
       close(sockCli);
       return -1;
   }
   else
   {
       printf("Client Connect Server ok\n");
   }

   char sendbuf[BUF_SIZE];
   char recvbuf[BUF_SIZE];
   while(1)
   {
       connect(sockCli, (struct sockaddr*)&addrSer, len);
       recv(sockCli, recvbuf, BUF_SIZE, 0);
       printf("Ser :>%s\n", recvbuf);

       printf("Cli :>");
       scanf("%s", sendbuf);
       if(strncmp(sendbuf, "quit", 4) == 0)    
           break;
       send(sockCli, sendbuf, strlen(sendbuf)+1, 0);

   }
   close(sockCli);

   return 0;}

(3)、运行结果

6、UDP的编程实现

  基础的socket编程对UDP的就是下面的步骤：

(1)、模型分析

(2)、代码实现

utili.h

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVER_PORT  9090
#define SERVER_IP    "127.0.0.1"
#define LISTEN_QUEUE  5
#define BUFFER_SIZE   255

服务器端代码：

#include"utili.h"
int main()
{
   int sockSer = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
   if(sockSer == -1)
   {
       perror("socket");
       return -1;
   }  
   struct sockaddr_in addrSer, addrCli;
   addrSer.sin_family = AF_INET;
   addrSer.sin_port = htons(SERVER_PORT);
   addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

   socklen_t len = sizeof(struct sockaddr);
   int res = bind(sockSer, (struct sockaddr*)&addrSer, len);
   if(res == -1)
   {
       perror("bind");
       close(sockSer);
       return -1;
   }  

   char sendbuf[BUFFER_SIZE];
   char recvbuf[BUFFER_SIZE];
   while(1)
   {
       recvfrom(sockSer, recvbuf, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&addrCli, &len);
       printf("Cli:>%s\n",recvbuf);
       
       printf("Ser:>");
       scanf("%s",sendbuf);
       if(strncmp(sendbuf, "quit", 4) == 0){
           break;
       }
       sendto(sockSer, sendbuf, strlen(sendbuf)+1, 0, (struct sockaddr*)&addrCli, len);
   }
   close(sockSer);
   return 0;}

客户端代码：

#include"utili.h"
int  main()
{
   int sockCli = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
   if(sockCli == -1){
       perror("socket");
       return -1;
   }  

   struct sockaddr_in addrSer;
   addrSer.sin_family = AF_INET;
   addrSer.sin_port = htons(SERVER_PORT);
   addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

   char sendbuf[BUFFER_SIZE];
   char recvbuf[BUFFER_SIZE];
   socklen_t  len = sizeof(struct sockaddr);
   while(1){
       printf("Cli:>");
       scanf("%s",sendbuf);
       if(strncmp(sendbuf, "quit", 4) == 0){
           break;
       }  
       sendto(sockCli, sendbuf, strlen(sendbuf)+1, 0, (struct sockaddr*)&addrSer, len);

       recvfrom(sockCli, recvbuf, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&addrSer, &len);
       printf("Ser:>%s\n",recvbuf);
   }
   close(sockCli);
   return 0;    
    }

(3)、运行结果

服务器端截图

客户端截图

  服务端的套接字总领全局，不与任何客户端进行通信，为每一个新的客户端所分配一个新的套接字，进行通信。

  LISTEN_QUEUE：等待队列的大小(最多等待多少队列)；

  UDP：必须先知道服务器在哪。

 

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