Linux应用编程（六）：网络编程

一：引言

       Linux系统提供的经典进程间通讯机制（IPC）：管道，共享内存，消息队列以及信号量，这些机制允许在同一台计算机上运行的进程可以互相通信，而对于不同计算机（通过网络相连）上的进程间通讯则引入了新的机制：网络进程间通信，进程可以通过套接字网络进程间通信接口互相通信，对于套接字接口可以采用许多不同的网络协议进行通信。

1、五层网络协议栈：

应用层协议：FTP、HTTP、SMTP

传输层协议：TCP协议、UDP协议

网络层协议：IP协议

本章讲述的TCP协议和UDP协议就属于传输层。关于五层结构具体功能参考：https://blog.csdn.net/weixin_37719279/article/details/82846226

2、TCP和UDP协议的区别

TCP向上层提供面向连接的可靠服务，UDP向上层提供无连接的不可靠服务，虽然UDP并没有TCP传输来的准确，但是在实时性要求高的场景下经常被用到。

3、TCP的三次握手和四次挥手

（1）三次握手

第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。

第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。

（2）四次挥手

a.客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
b.服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
c.客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
d.服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
e.客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
f.服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

详细参考：https://www.cnblogs.com/bj-mr-li/p/11106390.html

二：网络编程API

1、套接字描述符

（1）创建套接字：

#include 
int socket(int domain, int type,int protocol);

domain：确定通信的特性，包括地址格式
        AF_INET：IPv4因特网域
        AF_INET6：IPv6因特网域
        AF_UNIX：UNIX域
        AF_UPSPEC：未指定
type：确定套接字类型
        SOCK_DGRAM：固定长度的，无连接的，不可靠的报文传递（UDP）
        SOCK_RAW：IP协议的数据报接口
        SOCK_SEQPACKET：固定长度的，有序的，可靠的，面向连接的报文传递
        SOCK_STREAM：有序的，可靠的，双向的，面向连接的字节流（TCP）
protocol：通常为0，表示为给定的域和套接字类型选择默认协议

（2）关闭套接字：

#include 
int shutdown(int sockfd, int how);

how：SHUT_RD（关闭读端），无法从套接字读取数据
     SHUT_WR（关闭写端），无法从套接字发送数据
     SHUT_RDWR，无法读取和发送数据

2、寻址

（1）字节序

应用程序有时需要在处理器字节序与网络字节序之间转换。对于应用程序，有4个用来在处理器字节序和网络字节序之间转换的函数。

“h”表示“主机”字节序，“n”表示“网络”字节序，“l”表示“长”（即4字节）整数，“s”表示“短”（即2字节）整数

#include 

uint32_t htonl(uint32_t hostint32); 返回值：以网络字节序表示的32位整数
uint16_t htons(uint16_t hostint16); 返回值：以网络字节序表示的16位整数
uint32_t ntohl(uint32_t netint32);  返回值：以主机字节序表示的32位整数
uint16_t ntohs(uint16_t netint16);  返回值：以主机字节序表示的16位整数

（2）地址格式

        一个地址标识一个特定通信域的套接字端点，地址格式与这个特定的通信域相关，为使不同格式地址能够传入到套接字函数，地址会被强制转换成一个通用的地址结构：

struct sockaddr{
    unisgned short  as_family;
    char sa_data[14];
};

由于系统兼容性问题，用新的地址结构表示：

struct sockaddr_in{
    unsigned short          sin_family;     
    unsigned short int      sin_port;
    struct in_addr          sin_addr;
    unsigned char           sin_zero[8];
}

（3）inet_aton()

inet_aton是一个改进的方法来将一个字符串IP地址转换为一个32位的网络序列IP地址。

1 输入参数string包含ASCII表示的IP地址。
2 输出参数addr是将要用新的IP地址更新的结构。

如果这个函数成功，函数的返回值非零。如果输入地址不正确则会返回零。使用这个函数并没有错误码存放在errno中，所以他的值会被忽略。

（4）示例

struct sockaddr_in socket_server_addr;

socket_server_addr.sin_family   = AF_INET;
/*主机字节序转换为网络字节序*/
socket_server_addr.sin_port     = htons(SERVER_PORT);
if (inet_aton(“192.168.1.100”, &socket_server_addr.sin_addr) == 0)
{
    printf("invalid server ip\n");
    return -1;
}

3，服务器关联套接字与地址

int bind(int sockfd, struct sockaddr *addr, int addrlen);

示例：
struct sockaddr_in socket_server_addr;
duty_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
/* 服务器端填充 sockaddr_in结构 */
socket_server_addr.sin_family   = AF_INET;
/*端口号转换为网络字节序*/
socket_server_addr.sin_port     = htons(SERVER_PORT);
/*接收本机所有网口的数据*/
socket_server_addr.sin_addr.s_addr  = INADDR_ANY;
memset(socket_server_addr.sin_zero, 0, 8);

/* 捆绑sockfd描述符 */
ret = bind(duty_socket, (const struct sockaddr *)&socket_server_addr, sizeof(struct sockaddr));

4、服务器调用listen函数表示接受连接请求

int listen(int sockfd,int backlog);

ret = listen(duty_socket, C_QUEUE);

sockfd是bind后的文件描述符。
backlog设置请求排队的最大长度。当有多个客户端程序和服务端相连时，使用这个表示可以介绍的排队长度。
listen函数将bind的文件描述符变为监听套接字，返回的情况和bind一样。

5、服务器获得连接请求并建立连接

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr,int *addrlen);


int customer_socket;
customer_socket = accept(duty_socket, (struct sockaddr *)&socket_client_addr, &addr_len);

sockfd是listen后的文件描述符。
addr，addrlen是用来给客户端的程序填写的,服务器端只要传递指针就可以了， bind,listen和accept是服务器端用的函数。
accept调用时，服务器端的程序会一直阻塞到有一个客户程序发出了连接。 accept成功时返回最后的服务器端的文件描述符，这个时候服务器端可以向该描述符写信息了，失败时返回-1 。

6、客户端建立连接

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);

ret = connect(client_socket, (const struct sockaddr *)&socket_server_addr, sizeof(struct sockaddr));


可以用connect建立一个连接，在connect中所指定的地址是想与之通信的服务器的地址。
sockfd是socket函数返回的文件描述符。
serv_addr储存了服务器端的连接信息，其中sin_add是服务端的地址。
addrlen是serv_addr的长度 
connect函数是客户端用来同服务端连接的.成功时返回0，sockfd是同服务端通讯的文件描述符，失败时返回-1。

7、发送数据

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

sockfd 指定发送端套接字描述符；
buf 指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；
len 指明实际要发送的数据的字节数；
flags 一般置0。
客户或者服务器应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据


ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
sendto和send相似，区别在于sendto允许在无连接的套接字上指定一个目标地址。
dest_addr 表示目地机的IP地址和端口号信息，
addrlen 常常被赋值为sizeof （struct sockaddr）。
sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回－1。

8、接受数据

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

sockfd 指定接收端套接字描述符；
buf 指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放recv函数接收到的数据；
len 指明buf的长度；
flags 一般置0。
客户或者服务器应用程序都用recv函数从TCP连接的另一端接收数据。


ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);


recvfrom通常用于无连接套接字，因为此函数可以获得发送者的地址。
src_addr 是一个struct sockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。
addrlen 常置为sizeof （struct sockaddr）。