网络套接字(Udp与Tcp应用)
目录
- 1. 认识套接字
-
- 1.1 IP
- 1.2 端口号
- 1.3 套接字
- 1.4 端口号和进程id
- 1.5 认识TCP协议
- 1.6 认识UDP协议
- 1.7 网络字节序
- 1.8 库函数
- 1.9 地址转换函数
- 1.10 socket 常见API
- 1.11 sockaddr结构
- 2. Udp服务器
-
- 2.1 收发接口
- 2.2 udp服务器实现
- 3. udp客户端实现
-
- 3.1 实验现象
- 3.2 本地环回
- 4. 单进程Tcp
-
- 4.1 服务器
- 4.2 客户端
- 5. 多进程Tcp
-
- 5.1 服务器
- 5.2 客户端
- 6. 多线程Tcp
-
- 6.1 服务器
- 6.2 客户端
- 7. 对比
在网络通信中，凡是我们所写的代码，采用的接口都是系统调用接口，编写的程序都叫用户层程序，我们接下来的工作就是在用户层自定义协议。在网络模型中就是应用层，那么就是要使用传输层的接口（但是有原始套接字可以绕过传输层）
1. 认识套接字
1.1 IP
在IP数据包头部中, 有两个IP地址, 分别叫做源IP地址, 和目的IP地址。
有了IP地址能够把消息发送到对方的机器上,但是跨网络传输还需要有一个其他的标识来区分出, 这个数据要给对方的哪个程序进行解析。
即IP在公网当中全网标识一台主机，发送的时候，不仅需要目的IP，通信也要自己的源IP也发过去，因为对方主机还要对你做出“回应”。
在你打开网页，访问百度的时候，实际上硬件只是一个载体，实际上通信的是你笔记本上的软件(浏览器进程)，和对方服务器上的软件（服务器进程）。更准确的一点说，实际上是运行起来的进程进行通信，所以套接字的本质就是跨网络的进程间通信。
1.2 端口号
一个笔记本上，有很多进程，所有的进程并发的进行运行。所以通信的时候还需要一个东西来标识某个进程，标定进程的方式叫端口号。
- 端口号是一个2字节16位的整数;
- 端口号用来标识一个进程, 告诉操作系统, 当前的这个数据要交给哪一个进程来处理;
- IP地址 + 端口号能够标识网络上的某一台主机的某一个进程;
- 一个端口号只能被一个进程占用
传输层协议(TCP和UDP)的数据段中有两个端口号, 分别叫做源端口号和目的端口号. 就是在描述 “数据是谁发的, 要发给谁”;就像你到了那台主机之还要根据目的端口号找到对应进程
1.3 套接字
IP标记某个全网唯一主机。
端口号标识主机内为一进程。那么IP+端口号就实现了标识全网内的唯一进程。而这个IP+端口号就是套接字。
服务器几乎永远不会关机，只会不断更新。虽然这里只简单的花了两个进程。但是这两台主机中充斥着大量的进程。公网IP保证了主机的唯一性，端口号保证了进程的唯一性。进程间通信，不同的进程看到了同一套资源，而跨网络进程通信，不同主机的进程就看到的是网络这个资源。
网络之中充斥着大量的套接字就要被管理起来
这里面有一个熟悉的file而file中存在一个
又指向这个socket指针
ops指针中存在着各种函数指针
1.4 端口号和进程id
pid表示唯一一个进程，并不是所有的进程都需要端口号，但是所有的进程在系统层面上都有一个pid。只有你这个进程是网络进程时才需要端口号。
一个进程可以绑定多个端口号
一个端口号只能用于一个进程
最开始收到数据的一定是计算机当中的网卡，然后自底向上交付。
1.5 认识TCP协议
- 传输层协议
- 有连接
- 可靠传输(要保证处理数据，丢包，等等，比较复杂)
- 面向字节流
管道也是面向字节流的。
1.6 认识UDP协议
- 传输层协议
- 无连接
- 不可靠传输
- 面向数据报
1.7 网络字节序
低字节位在低地址处，叫做小端。
高字节位在低地址处，叫做大端。
假如你发数据，对方服务器可不知道你的数据你发的数据是大端还是小端，假如你的笔记本是小端，对方服务器是大端，那么服务器就会数据理解错误，这种情况肯定是存在，而且要被解决的。
网络规定，网络上跑的数据默认大端。假如你是小端机操作系统就会默认转为大端，收方默认接受的就是大端数据。
假设要发送0x1234abcd
- TCP/IP协议规定,网络数据流应采用大端字节序,即低地址高字节.
- 不管这台主机是大端机还是小端机, 都会按照这个TCP/IP规定的网络字节序来发送/接收数据;
- 如果当前发送主机是小端, 就需要先将数据转成大端; 否则就忽略, 直接发送即可;
大端发送很方便，由于首先收到的就是高权值数据，所以就可以边计算便接收
1.8 库函数
大端就不做任何转换,小端机调用这些函数，将数据转换成大端序列。
这些函数名很好记,h表示host,n表示network,l表示32位长整数,s表示16位短整数。
例如htonl表示将32位的长整数从主机字节序转换为网络字节序,例如将IP地址(点分十进制，四个.，一个点隔开一个字节，每个范围为0-255)转换后准备发送
1.9 地址转换函数
这个inet_ntoa函数返回一个char*,实际把它存储在静态存储区，也就是说，作为一个静态局部变量，虽然他的作用域依旧在函数内，但是生命周期却变成了整个文件。也就是说多线程，会有线程安全问题。新的一次会把老的一次覆盖掉。虽然在当前环境测试没有出现问题，可能是新版本添加了互斥锁。但是不推荐使用这个函数，可以用inet_ntop来代替。
1.10 socket 常见API
- 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain代表域，即使用TCP或者UDP
套接字类别，流式套接字，数据报套接字，原始套接字
协议，操作系统使用默认行为
最重要的是返回值
可以这么理解，网卡也是一种文件，通信之前需要将文件打开，这里的socket函数等价于open，返回值等价一个文件描述符。
- 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,socklen_t address_len);
关联IP,端口号。服务器一般不发消息，永远是被动的，即绑定的，IP，端口号是客户端自己的。在系统方面表明，将IP信息与网络信息关联起来。
- 描述符
- 将IP地址，端口号，填进去强转之后的结构体，然后绑定。
- 结构体长度
- 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
- 文件描述符
- 由于是面向连接的，所以需要一个等待队列，backlog代表底层连接的长度，一般不要设置太大
- 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,socklen_t* address_len);
- 参数socket用于接收到链接请求（唯一一个），返回值socket用于通信（多个）
- 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
1.11 sockaddr结构
socket API是一层抽象的网络编程接口,适用于各种底层网络协议,如IPv4、 IPv6,以及UNIX DomainSocket. 然而, 各种网络协议的地址格式并不相同，操作系统实现了一种套接字接口，来解决不同套接字的编写，调用。
他就是sockaddr结构，就是用于将我们的IP,端口号等填入结构体，发给别人
in_addr用来表示一个IPv4的IP地址. 其实就是一个32位的整数
虽然socket api的接口是sockaddr, 但是我们真正在基于IPv4编程时, 使用的数据结构是sockaddr_in; 这个结构里主要有三部分信息: 地址类型, 端口号, IP地址
- IPv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中,IPv4地址用sockaddr_in结构体表示,包括16位地址类型, 16位端口号和32位IP地址.
- IPv4、 IPv6地址类型分别定义为常数AF_INET、 AF_INET6. 这样,只要取得某种sockaddr结构体的首地址,
- 不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体,就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容.
- socket API中的函数形参，可以都用struct sockaddr *类型表示, 在使用的时候需要强制转化成sockaddr_in; 这样的好处是多态，即程序的通用性, 可以接收IPv4, IPv6, 以及UNIX Domain Socket各种类型的sockaddr结构体指针做为参数。那么强转后，在函数内怎么区分呢？由于每个字段都是16位，把他们提取出来，用if判断类型。就好了
2. Udp服务器
2.1 收发接口
服务器被动的收发数据，所需要接口。
收数据
- 文件描述符
- buf缓冲区
- 期望读的长度
- flags，读取条件是否成立
- 输出型参数，传入方信息
- 既做输入又做输出，输入代表结构体大小，输出代表读取结构体大小
发数据
- 文件描述符
- 发送缓冲区
- 期望发的长度
- 读取条件是否成立
- 刚才收数据收到了对方的信息
- 输入代表结构体大小，输出代表读取大小
2.2 udp服务器实现
实际上这里的ip，可以不用输入，直接在填充的时候选择INADDR_ANY，这样在客户端输入任意IP，输入端口号，都可以访问服务器。
#pragma once
#includemain函数只需要简单的启动即可
#include"udpServer.hpp"
int main()
{
udpServer *up=new udpServer;
up->initServer();
up->strat();
delete up;
return 0;
}
由于此时还没有客户端，那么怎么看到他运行起来了呢
用netstat -nlup命令，其中u代表udp，假如是 -bltp就是tcp。
服务端已启动。
3. udp客户端实现
#pragma once
#include
// _exit(1);
//}
}
void strat()
{
string msg;
struct sockaddr_in peer;
peer.sin_family=AF_INET;
peer.sin_port=htons(port);
//点分十进制转成4字节，主机序列转成网络序列
peer.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip.c_str());
for(;;)
{
cout<<"请输入"<<endl;
cin>>msg;
if(msg=="quit")
{
break;
}
//发去服务器
sendto(sock,msg.c_str(),msg.size(),0,(struct sockaddr*)&peer,sizeof(peer));
char echo[128];
ssize_t s=recvfrom(sock,echo,sizeof(echo)-1,0,nullptr,nullptr);
if(s>0)
{
echo[s]='\0';
cout<<"server###"<<echo<<endl;
}
}
}
~udpClient()
{
close(sock);
}
};
main中初始化，然后启动
#include"udpClient.hpp"
int main()
{
udpClient uc;
uc.initClient();
uc.strat();
return 0;
}
这里提到客户端不需要自己绑定，但是为什么服务器就需要绑定呢？
服务器：
-
一般服务器端口是总所周知的，ip和port不需要也不能轻易的更改。比如：http对应的端口号是80 https:443 ssh:22
-
服务器面对的客户很多，服务器一旦改了，客户端立马找不到，就无法访问服务器了。
客户端：
-
客户有很多客户端，如果绑定，就需要规定什么软件用什么端口，端口是标识进程的，一个端口只能对应一个进程，如果多个进程使用同一个端口，就会导致绑定是失败。并且这种让不同的公司进行沟通进行约定，是很不现实的。如果进行了bind会发生端口冲突，导致客户端无法启动
-
客户端需要唯一性，但不需要明确告诉你是哪个端口，因为也没有人去连接你，但是必需要IP和port。客户端使用udp服务器进行数据的交互之时，系统会自动进行Ip和端口号的绑定。
3.1 实验现象
客户端发数据，服务端收到，并回显到客户端。
而我们也可以，在main函数中传入参数，在命令行中带入ip与port，输入失败的时候，提示帮助手册。
客户端传入服务器的ip，port
3.2 本地环回
127.0.0.1，通常用来进行网络通信代码的本地测试，一般把网络层全部自顶向下，自底向上，跑一遍。进行测试。
4. 单进程Tcp
4.1 服务器
#ifndef __TCP__SERVER_H_
#define __TCP__SERVER_H_
#include全0表示任意IP都可以。
虽然没有客户端，但是远程登录工具可以登录服务器
也可以进行通信
4.2 客户端
#include但是这个单进程版本，也就意味着当前进程不退出，别的进程就不能再次绑定。
Tcp套接字通信就像管道一样，管道也是流式服务
5. 多进程Tcp
5.1 服务器
#ifndef __TCP__SERVER_H_
#define __TCP__SERVER_H_
#include#include"tcpServer.hpp"
static void Usages(const string& str)
{
cout<<"Usage: port is "<<str<<endl;
}
int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=2)
{
Usages(argv[0]);
exit(1);
}
tcpServer* tp=new tcpServer(atoi(argv[1]));
tp->initServer();
tp->start();
delete tp;
return 0;
}
5.2 客户端
#ifndef __TCP__CLIENT_H_
#define __TCP__CLIENT_H_
#include#include"tcpClient.hpp"
static void Usages(const string& str)
{
cout<<"Usage: port is "<<str<<endl;
exit(0);
}
int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=3)
{
Usages(argv[0]);
}
tcpClient* tp=new tcpClient(argv[1],atoi(argv[2]));
tp->initClient();
tp->start();
delete tp;
return 0;
}
6. 多线程Tcp
6.1 服务器
#ifndef __TCP__SERVER_H_
#define __TCP__SERVER_H_
#include#include"tcpServer.hpp"
static void Usages(const string& str)
{
cout<<"Usage: port is "<<str<<endl;
}
int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=2)
{
Usages(argv[0]);
exit(1);
}
tcpServer* tp=new tcpServer(atoi(argv[1]));
tp->initServer();
tp->start();
delete tp;
return 0;
}
6.2 客户端
#ifndef __TCP__CLIENT_H_
#define __TCP__CLIENT_H_
#include#include"tcpClient.hpp"
static void Usages(const string& str)
{
cout<<"Usage: port is "<<str<<endl;
exit(0);
}
int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=3)
{
Usages(argv[0]);
}
tcpClient* tp=new tcpClient(argv[1],atoi(argv[2]));
tp->initClient();
tp->start();
delete tp;
return 0;
}
7. 对比
- 单进程：只是为了解接口使用，收发细节实际不可使用
- 多进程：健壮性强，费资源，效率较低
- 多线程：健壮性不强，相对多进程费资源较少，效率较高。
而实际上，系统是可能存在大量客户端，此时创建进程线程，已不再是耗费资源的主要原因，而是在各个执行流切换所带来的效率问题。