《9.linux网络编程实践》

转自 https://edu.csdn.net/lecturer/505 朱老师物联网大讲堂
《9.linux网络编程实践》

第一部分、章节目录
3.9.1.linux网络编程框架
3.9.2.TCP协议的学习1
3.9.3.TCP协议的学习2
3.9.4.socket编程接口介绍
3.9.5.IP地址格式转换函数实践
3.9.6.soekct实践编程1
3.9.7.soekct实践编程2
3.9.8.socket实践编程3
3.9.9.socket编程实践4

第二部分、章节介绍
3.9.1.linux网络编程框架
本节讲述网络编程的框架,分层思想和TCP/IP协议的介绍,BS架构和CS架构的介绍等。
3.9.2.TCP协议的学习1
本节详细介绍TCP协议的特点,其中重点讲述了TCP协议保证实现可靠传输的机制。
3.9.3.TCP协议的学习2
本节接上节继续讲解TCP协议,主要讲了TCP协议建立连接和关闭连接时的握手方法,最后讲了使用TCP来实现的常见应用层协议。
3.9.4.socket编程接口介绍
本节介绍linux API中与网络编程相关的接口函数,后面的实战编程中都要用到这些函数。
3.9.5.IP地址格式转换函数实践
本节通过代码实践来给大家演示IP地址格式转换的几个函数
3.9.6.soekct实践编程1
本节开始编写基于TCP的客户端和服务器连接通信程序
3.9.7.soekct实践编程2
本节接上节继续编写,并且已经实现客户端和服务器的连接。
3.9.8.socket实践编程3
本节实现客户端和服务器之间的任意发送和接收、反复发送接收等功能
3.9.9.socket编程实践4
本节通过定义一个简单的应用层协议,来向大家介绍TCP连接建立后如何通过应用层协议来实现业务逻辑。

第三部分、随堂记录
3.9.1.linux网络编程框架
3.9.1.1、网络是分层的
(1)OSI 7层模型
(2)网络为什么要分层
(3)网络分层的具体表现
3.9.1.2、TCP/IP协议引入
(1)TCP/IP协议是用的最多的网络协议实现
(2)TCP/IP分为4层,对应OSI的7层
(3)我们编程时最关注应用层,了解传输层,网际互联层和网络接入层不用管
3.9.1.3、BS和CS
(1)CS架构介绍(client server,客户端服务器架构)
(2)BS架构介绍(broswer server,浏览器服务器架构)

3.9.2.TCP协议的学习1
3.9.2.1、关于TCP理解的重点
(1)TCP协议工作在传输层,对上服务socket接口,对下调用IP层
(2)TCP协议面向连接,通信前必须先3次握手建立连接关系后才能开始通信。
(3)TCP协议提供可靠传输,不怕丢包、乱序等。
3.9.2.2、TCP如何保证可靠传输
(1)TCP在传输有效信息前要求通信双方必须先握手,建立连接才能通信
(2)TCP的接收方收到数据包后会ack给发送方,若发送方未收到ack会丢包重传
(3)TCP的有效数据内容会附带校验,以防止内容在传递过程中损坏
(4)TCP会根据网络带宽来自动调节适配速率(滑动窗口技术)
(5)发送方会给各分割报文编号,接收方会校验编号,一旦顺序错误即会重传。

3.9.3.TCP协议的学习2
3.9.3.1、TCP的三次握手
(1)建立连接需要三次握手
(2)建立连接的条件:服务器listen时客户端主动发起connect
3.9.3.2、TCP的四次握手
(3)关闭连接需要四次握手
(4)服务器或者客户端都可以主动发起关闭
注:这些握手协议已经封装在TCP协议内部,socket编程接口平时不用管
3.9.3.3、基于TCP通信的服务模式
(1)具有公网IP地址的服务器(或者使用动态IP地址映射技术)
(2)服务器端socket、bind、listen后处于监听状态
(3)客户端socket后,直接connect去发起连接。
(4)服务器收到并同意客户端接入后会建立TCP连接,然后双方开始收发数据,收发时是双向的,而且双方均可发起
(5)双方均可发起关闭连接
3.9.3.4、常见的使用了TCP协议的网络应用
(1)http、ftp
(2)QQ服务器
(3)mail服务器

3.9.4.socket编程接口介绍
3.9.4.1、建立连接
(1)socket。socket函数类似于open,用来打开一个网络连接,如果成功则返回一个网络文件描述符(int类型),之后我们操作这个网络连接都通过这个网络文件描述符。
(2)bind
(3)listen
(4)connect
3.9.4.3、发送和接收
(1)send和write
(2)recv和read
3.9.4.4、辅助性函数
(1)inet_aton、inet_addr、inet_ntoa
(2)inet_ntop、inet_pton
3.9.4.5、表示IP地址相关数据结构
(1)都定义在 netinet/in.h
(2)struct sockaddr,这个结构体是网络编程接口中用来表示一个IP地址的,注意这个IP地址是不区分IPv4和IPv6的(或者说是兼容IPv4和IPv6的)
(3)typedef uint32_t in_addr_t; 网络内部用来表示IP地址的类型
(4)struct in_addr
{
in_addr_t s_addr;
};
(5)

struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port;                 /* Port number.  */
    struct in_addr sin_addr;            /* Internet address.  */

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
                           __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
                           sizeof (in_port_t) -
                           sizeof (struct in_addr)];
  };

(6)struct sockaddr 这个结构体是linux的网络编程接口中用来表示IP地址的标准结构体,bind、connect等函数中都需要这个结构体,这个结构体是兼容IPV4和IPV6的。在实际编程中这个结构体会被一个struct sockaddr_in或者一个struct sockaddr_in6所填充。

3.9.5.IP地址格式转换函数实践
3.9.5.1、inet_addr、inet_ntoa、inet_aton
3.9.5.2、inet_pton、inet_ntop

#include 
#include 
#include 
#include 


#define IPADDR	"192.168.1.102"

// 0x66		01	a8		c0
// 102		1	168		192
// 网络字节序,其实就是大端模式


int main(void)
{
	struct in_addr addr = {0};
	char buf[50] = {0};
	
	addr.s_addr = 0x6703a8c0;
	
	inet_ntop(AF_INET, &addr, buf, sizeof(buf));

	printf("ip addr = %s.\n", buf);
	
	
/*	
	// 使用inet_pton来转换
	int ret = 0;
	struct in_addr addr = {0};
	
	ret = inet_pton(AF_INET, IPADDR, &addr);
	if (ret != 1)
	{
		printf("inet_pton error\n");
		return -1;
	}
	
	printf("addr = 0x%x.\n", addr.s_addr);
*/	
	
	/*
	in_addr_t addr = 0;
	
	addr = inet_addr(IPADDR);
	
	printf("addr = 0x%x.\n", addr);		// 0x6601a8c0
*/	
	return 0;
}

3.9.6_7.soekct实践编程1_2
3.9.6.1、服务器端程序编写
(1)socket
(2)bind
(3)listen
(4)accept,返回值是一个fd,accept正确返回就表示我们已经和前来连接我的客户端之间建立了一个TCP连接了,以后我们就要通过这个连接来和客户端进行读写操作,读写操作就需要一个fd,这个fd就由accept来返回了。
注意:socket返回的fd叫做监听fd,是用来监听客户端的,不能用来和任何客户端进行读写;accept返回的fd叫做连接fd,用来和连接那端的客户端程序进行读写。
3.9.6.2、客户端程序编写
(1)socket
(2)connect

概念:端口号,实质就是一个数字编号,用来在我们一台主机中(主机的操作系统中)唯一的标识一个能上网的进程。端口号和IP地址一起会被打包到当前进程发出或者接收到的每一个数据包中。每一个数据包将来在网络上传递的时候,内部都包含了发送方和接收方的信息(就是IP地址和端口号),所以IP地址和端口号这两个往往是打包在一起不分家的。

#include 
#include 
#include           /* See NOTES */
#include 
#include 



#define SERPORT		9003						//服务器需要端口号,而客户端不需要提供
#define SERADDR		"192.168.129.128"		// ifconfig看到的
#define BACKLOG		100


int main(void)
{
	// 第1步:先socket打开文件描述符
	int sockfd = -1, ret = -1, clifd = -1;
	socklen_t len = 0;
	struct sockaddr_in seraddr = {0};
	struct sockaddr_in cliaddr = {0};
	
	char ipbuf[30] = {0};
	
	
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == sockfd)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
	printf("socketfd = %d.\n", sockfd);
	
	// 第2步:bind绑定sockefd和当前电脑的ip地址&端口号
	seraddr.sin_family = AF_INET;		// 设置地址族为IPv4
	seraddr.sin_port = htons(SERPORT);	// 设置地址的端口号信息
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);	// 设置IP地址,inet_addr转换为网络字节序,解决数据的大小端问题
	ret = bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("bind");
		return -1;
	}
	printf("bind success.\n");
	
	// 第三步:listen监听端口
	ret = listen(sockfd, BACKLOG);		
	if (ret < 0)
	{
		perror("listen");
		return -1;
	}
	
	// 第四步:accept阻塞等待客户端接入
	clifd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
	printf("连接已经建立,client fd = %d.\n", ret);
	
	return 0;
}
#include 
#include 
#include           /* See NOTES */
#include 
#include 


#define SERADDR		"192.168.129.128"		// 服务器开放给我们的IP地址和端口号
#define SERPORT		9003



int main(void)
{
	// 第1步:先socket打开文件描述符
	int sockfd = -1, ret = -1;
	struct sockaddr_in seraddr = {0};
	struct sockaddr_in cliaddr = {0};
	
	// 第1步:socket
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == sockfd)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
	printf("socketfd = %d.\n", sockfd);
	
	// 第2步:connect链接服务器
	seraddr.sin_family = AF_INET;		// 设置地址族为IPv4
	seraddr.sin_port = htons(SERPORT);	// 设置地址的端口号信息
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);	// 设置IP地址
	ret = connect(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("listen");
		return -1;
	}
	printf("connect result, ret = %d.\n", ret);
	
	
	return 0;
}
all:
	gcc server.c -o ser
	gcc client.c -o cli

clean:
	rm ser cli *.o

3.9.8.socket实践编程3
3.9.8.1、客户端发送&服务器接收
3.9.8.2、服务器发送&客户端接收
3.9.8.3、探讨:如何让服务器和客户端好好沟通
(1)客户端和服务器原则上都可以任意的发和收,但是实际上双方必须配合:client发的时候server就收,而server发的时候client就收
(2)必须了解到的一点:client和server之间的通信是异步的,这就是问题的根源
(3)解决方案:依靠应用层协议来解决。说白了就是我们server和client事先做好一系列的通信约定。

#include 
#include 
#include           /* See NOTES */
#include 
#include 
#include 


#define SERADDR		"192.168.1.141"		// 服务器开放给我们的IP地址和端口号
#define SERPORT		9003


char sendbuf[100];



int main(void)
{
	// 第1步:先socket打开文件描述符
	int sockfd = -1, ret = -1;
	struct sockaddr_in seraddr = {0};
	struct sockaddr_in cliaddr = {0};
	
	// 第1步:socket
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == sockfd)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
	printf("socketfd = %d.\n", sockfd);
	
	// 第2步:connect链接服务器
	seraddr.sin_family = AF_INET;		// 设置地址族为IPv4
	seraddr.sin_port = htons(SERPORT);	// 设置地址的端口号信息
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);	// 设置IP地址
	ret = connect(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("listen");
		return -1;
	}
	printf("成功建立连接\n");

/*	
	// 建立连接之后就可以开始通信了
	strcpy(sendbuf, "hello world.");
	ret = send(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);
	printf("发送了%d个字符\n", ret);
*/
/*
	while (1)
	{
		printf("请输入要发送的内容\n");
		scanf("%s", sendbuf);
		//printf("刚才输入的是:%s\n", sendbuf);
		ret = send(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);
		printf("发送了%d个字符\n", ret);
	}
*/
	ret = recv(sockfd, sendbuf, sizeof(sendbuf), 0);
	printf("成功接收了%d个字节\n", ret);
	printf("client发送过来的内容是:%s\n", sendbuf);
	
	
	return 0;
}
#include 
#include 
#include           /* See NOTES */
#include 
#include 
#include 



#define SERPORT		9003
#define SERADDR		"192.168.1.141"		// ifconfig看到的
#define BACKLOG		100


char recvbuf[100];


int main(void)
{
	// 第1步:先socket打开文件描述符
	int sockfd = -1, ret = -1, clifd = -1;
	socklen_t len = 0;
	struct sockaddr_in seraddr = {0};
	struct sockaddr_in cliaddr = {0};
	
	char ipbuf[30] = {0};
	
	
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == sockfd)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
	printf("socketfd = %d.\n", sockfd);
	
	// 第2步:bind绑定sockefd和当前电脑的ip地址&端口号
	seraddr.sin_family = AF_INET;		// 设置地址族为IPv4
	seraddr.sin_port = htons(SERPORT);	// 设置地址的端口号信息
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);	// 设置IP地址
	ret = bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("bind");
		return -1;
	}
	printf("bind success.\n");
	
	// 第三步:listen监听端口
	ret = listen(sockfd, BACKLOG);		// 阻塞等待客户端来连接服务器
	if (ret < 0)
	{
		perror("listen");
		return -1;
	}
	
	// 第四步:accept阻塞等待客户端接入
	clifd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
	printf("连接已经建立,client fd = %d.\n", clifd);
	
/*	
	// 建立连接之后就可以通信了
	// 客户端给服务器发
	ret = recv(clifd, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0);
	printf("成功接收了%d个字节\n", ret);
	printf("client发送过来的内容是:%s\n", recvbuf);
*/

/*
	// 客户端反复给服务器发
	while (1)
	{
		ret = recv(clifd, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0);
		//printf("成功接收了%d个字节\n", ret);
		printf("client发送过来的内容是:%s\n", recvbuf);	
		memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
	}
*/
	// 服务器给客户端发
	strcpy(recvbuf, "hello world.");
	ret = send(clifd, recvbuf, strlen(recvbuf), 0);
	printf("发送了%d个字符\n", ret);

	
	return 0;
}
all:
	gcc server.c -o ser
	gcc client.c -o cli

clean:
	rm ser cli *.o -rf

3.9.9.socket编程实践4
3.9.9.1、自定义应用层协议第一步:规定发送和接收方法
(1)规定连接建立后由客户端主动向服务器发出1个请求数据包,然后服务器收到数据包后回复客户端一个回应数据包,这就是一个通信回合
(2)整个连接的通信就是由N多个回合组成的。

3.9.9.2、自定义应用层协议第二步:定义数据包格式
3.9.9.3、常用应用层协议:http、ftp······
3.9.9.4、UDP简介

#include 
#include 
#include           /* See NOTES */
#include 
#include 
#include 


#define SERADDR		"192.168.1.141"		// 服务器开放给我们的IP地址和端口号
#define SERPORT		9003


char sendbuf[100];
char recvbuf[100];


#define CMD_REGISTER	1001	// 注册学生信息
#define CMD_CHECK		1002	// 检验学生信息
#define CMD_GETINFO		1003	// 获取学生信息

#define STAT_OK			30		// 回复ok
#define STAT_ERR		31		// 回复出错了


typedef struct commu
{
	char name[20];		// 学生姓名
	int age;			// 学生年龄
	int cmd;			// 命令码
	int stat;			// 状态信息,用来回复
}info;



int main(void)
{
	// 第1步:先socket打开文件描述符
	int sockfd = -1, ret = -1;
	struct sockaddr_in seraddr = {0};
	struct sockaddr_in cliaddr = {0};
	
	// 第1步:socket
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == sockfd)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
	printf("socketfd = %d.\n", sockfd);
	
	// 第2步:connect链接服务器
	seraddr.sin_family = AF_INET;		// 设置地址族为IPv4
	seraddr.sin_port = htons(SERPORT);	// 设置地址的端口号信息
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);	// 设置IP地址
	ret = connect(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("listen");
		return -1;
	}
	printf("成功建立连接\n");

/*
	while (1)
	{
		// 回合中第1步:客户端给服务器发送信息
		printf("请输入要发送的内容\n");
		scanf("%s", sendbuf);
		//printf("刚才输入的是:%s\n", sendbuf);
		ret = send(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);
		printf("发送了%d个字符\n", ret);
		
		// 回合中第2步:客户端接收服务器的回复
		memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
		ret = recv(sockfd, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0);
		//printf("成功接收了%d个字节\n", ret);
		printf("client发送过来的内容是:%s\n", recvbuf);

		// 回合中第3步:客户端解析服务器的回复,再做下一步定夺
		
	}
*/

	while (1)
	{
		// 回合中第1步:客户端给服务器发送信息
		info st1;
		printf("请输入学生姓名\n");
		scanf("%s", st1.name);
		printf("请输入学生年龄");
		scanf("%d", &st1.age);
		st1.cmd = CMD_REGISTER;
		//printf("刚才输入的是:%s\n", sendbuf);
		ret = send(sockfd, &st1, sizeof(info), 0);
		printf("发送了1个学生信息\n");
		
		// 回合中第2步:客户端接收服务器的回复
		memset(&st1, 0, sizeof(st1));
		ret = recv(sockfd, &st1, sizeof(st1), 0);
		
		// 回合中第3步:客户端解析服务器的回复,再做下一步定夺
		if (st1.stat == STAT_OK)
		{
			printf("注册学生信息成功\n");
		}
		else
		{
			printf("注册学生信息失败\n");
		}

	}



	return 0;
}
#include 
#include 
#include           /* See NOTES */
#include 
#include 
#include 



#define SERPORT		9003
#define SERADDR		"192.168.1.141"		// ifconfig看到的
#define BACKLOG		100


char recvbuf[100];


#define CMD_REGISTER	1001	// 注册学生信息
#define CMD_CHECK		1002	// 检验学生信息
#define CMD_GETINFO		1003	// 获取学生信息

#define STAT_OK			30		// 回复ok
#define STAT_ERR		31		// 回复出错了

typedef struct commu
{
	char name[20];		// 学生姓名
	int age;			// 学生年龄
	int cmd;			// 命令码
	int stat;			// 状态信息,用来回复
}info;


int main(void)
{
	// 第1步:先socket打开文件描述符
	int sockfd = -1, ret = -1, clifd = -1;
	socklen_t len = 0;
	struct sockaddr_in seraddr = {0};
	struct sockaddr_in cliaddr = {0};
	
	char ipbuf[30] = {0};
	
	
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == sockfd)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
	printf("socketfd = %d.\n", sockfd);
	
	// 第2步:bind绑定sockefd和当前电脑的ip地址&端口号
	seraddr.sin_family = AF_INET;		// 设置地址族为IPv4
	seraddr.sin_port = htons(SERPORT);	// 设置地址的端口号信息
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);	// 设置IP地址
	ret = bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("bind");
		return -1;
	}
	printf("bind success.\n");
	
	// 第三步:listen监听端口
	ret = listen(sockfd, BACKLOG);		// 阻塞等待客户端来连接服务器
	if (ret < 0)
	{
		perror("listen");
		return -1;
	}
	
	// 第四步:accept阻塞等待客户端接入
	clifd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
	printf("连接已经建立,client fd = %d.\n", clifd);
	


	// 客户端反复给服务器发
	while (1)
	{
		info st;
		// 回合中第1步:服务器收
		ret = recv(clifd, &st, sizeof(info), 0);

		// 回合中第2步:服务器解析客户端数据包,然后干活,
		if (st.cmd == CMD_REGISTER)
		{
			printf("用户要注册学生信息\n");
			printf("学生姓名:%s,学生年龄:%d\n", st.name, st.age);
			// 在这里服务器要进行真正的注册动作,一般是插入数据库一条信息
			
			// 回合中第3步:回复客户端
			st.stat = STAT_OK;
			ret = send(clifd, &st, sizeof(info), 0);
		}
		
		if (st.cmd == CMD_CHECK)
		{
			
		}
		
		if (st.cmd == CMD_GETINFO)
		{
			
		}

	}

	return 0;
}
all:
	gcc server.c -o ser
	gcc client.c -o cli

clean:
	rm ser cli *.o -rf

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