【嵌入式学习历程16】Linux网络编程（TCP篇）

什么是TCP/IP
TCP/IP 实际上一个协同工作的通信家族，为网络数据通信提供通路。为讨论方便可TCP/IP 协议组大体上分为三部分：
1、Internet 协议（IP）
2、传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）
3、处于 TCP 和 UDP 之上的一组应用协议。它们包括：TELNET，文件传送协议（FTP），域名服务（DNS）和简单的邮件传送程序（SMTP）等

linux TCP/IP四层概念模型
对于网络理论介绍一般采用OSI七层模型，但是Linux中网络栈的介绍一般分为四层的Internet模型

什么是套接字（socket）
socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）.
说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。
注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。

进行Socket编程的常用函数有：
socket
*创建一个socket
bind
*用于绑定IP地址和端口号到socket
connect
*该函数用于绑定之后的client端与服务器建立连接
listen
*设置能处理的最大连接要求，Listen()并未开始接收连线，只是设置socket为listen模式。
accept
*用来接受socket连接。
send
*发送数据
recv
*接收数据

套接字的创建
套接字API里有个函数socket，它就是用来创建一个套接字。套接字设计的总体思路是，单个系统调用就可以创建任何套接字，因为套接字是相当笼统的。一旦套接字创建后，应用程序还需要调用其他函数来指定具体细节。
int socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd

protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。

type：指定socket类型。常用的socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等

protocol：指定协议。常用的协议有：IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议

socket()打开一个网络通讯端口，如果成功的话，就像open()一样返回一个文件描述符，应用程序可以像读写文件一样用read/write在网络上收发数据，如果socket()调用出错则返回-1
对于IPv4，family参数指定为AF_INET
对于TCP协议，type参数指定SOCK_STREAM，表示面向流的传输协议如果是UDP协议，则type参数指定为SOCK_DGRAM，表示面向数据报的传输协议
protocol参数的介绍从略，指定为0即可

套接字socket的三种类型：
*流式套接字（SOCK_STREAM）
流式的套接字可以提供可靠的、面向连 接的通讯流。它使用了TCP协议。TCP保证了数据传输的正确性和顺序性
*数据报套接字（SOCK_DGRAM）
数据报套接字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。
*原始套接字
原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP直接访问，主要用于新的网络协议的测试等

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

套接字地址结构
struct sockaddr
{
u_short sa_family;
char sa_data[14];
}；
Sa_family:
地址族，采用“AF_xxx”的形式，如：AF_INET
Sa_data：
14字节的特定协议地址

struct sockaddr_in
{
short int sin_family; /* Internet地址族 */
unsigned short int sin_port; /* 端口号 */
struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */
unsigned char sin_zero[8]; /* 填0 */
}；
编程中一般并不直接针对sockaddr数据结构操作，而是使用与sockaddr等价的sockaddr_in数据结构

bind函数
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的，客户端程序得知服务器程序的地址和端口号后就可以向服务器发起连接，因此服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号.bind()成功返回0，失败返回-1。
bind()的作用是将参数sockfd和myaddr绑定在一起，使 sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听myaddr所描述的地址和端口号
struct sockaddr *是一个通用指针类型，myaddr参数实际上可以接受多种协议的sockaddr结构体，而它们的长度各不相同，所以需要第三个参数addrlen指定结构体的长度

listen()、connect()函数
如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

accept()函数
TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd

三方插手完成后，服务器调用accept()接受连接，如果服务器调用accept()时还没有客户端的连接请求，就阻塞等待直到有客户端连接上来,cliaddr是一个传出参数，accept()返回时传出客户端的地址和端口号.addrlen参数是一个传入传出参数（value-result argument），传入的是调用者提供的缓冲区cliaddr的长度以避免缓冲区溢出问题，传出的是客户端地址结构体的实际长度（有可能没有占满调用者提供的缓冲区）。
如果给cliaddr参数传NULL，表示不关心客户端的地址
read()、write()等函数
即send()和recv()函数。万事具备只欠东风，至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！
close()函数
在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

面向连接的客户端和服务器端使用TCP协议

**基于TCP-服务器
1. 创建一个socket，用函数socket()
2. 绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind()
3.设置允许的最大连接数，用函数listen()
4.接收客户端上来的连接，用函数accept()
5.收发数据，用函数send()和recv()，或者read()和write()
6.关闭网络连接

**基于TCP-客户端
1.创建一个socket，用函数socket()
2.设置要连接的对方的IP地址和端口等属性
3.连接服务器，用函数connect()
4.收发数据，用函数send()和recv()，或者read()和write()
5.关闭网络连接