Linux网络编程套接字
文章目录
- 一、预备知识
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- 1. IP 地址
- 2.端口号
- 3. TCP 协议和 UDP 协议
- 4.网络字节序
- 二、socket 编程接口
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- 0. socket 常见 API
- 1. socket 系统调用
- 2. bind 系统调用
- 3. recvfrom 系统调用
- 4. sendto 系统调用
- 5. listen 系统调用
- 6. accept 系统调用
- 7. connect 系统调用
- 三、简单的 UDP 网络程序
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- 1. udp echo
- 2.加入应用逻辑 -- 执行简单的 shell 命令
- 四、简单的 TCP 网络程序
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- 1.单进程版本
- 2.多进程版本
- 3.多线程版本
- 4.线程池版本
- 5. TCP 简单总结
一、预备知识
1. IP 地址
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IP 协议有两个版本，IPv4 和 IPv6 。在文章中凡是提到 IP 协议，没有特殊说明的，默认都是指 IPv4 。
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对于 IPv4 来说，IP 地址是一个 4 字节的32位整数。
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我们通常也使用 “点分十进制” 的字符串表示IP地址，例如 180.101.50.172，用点分割的每一个数字表示一个字节，范围是 [0, 255] 。
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公网 IP：通常用来唯一地标识互联网中的一台主机。
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源 IP 和目的 IP：对一个报文来讲，回答了从哪里来到哪里去的问题，最大的意义是指导一个报文该如何进行路径选择。
2.端口号
- 端口号（port）是传输层协议的内容。它是一个 2 字节 16 位的整数，用来唯一地标识一台主机上的一个进程。
进程具有独立性，进程间通信的前提工作：先得让不同的进程看到同一份资源，这份资源在这里就是网络！
源端口号和目的端口号：描述数据是哪个进程发的，要发给哪个进程。
一个进程可以关联多个端口号，但是一个端口号不可以关联多个进程，这个可以由端口号的概念得出。
3. TCP 协议和 UDP 协议
我们需要先对 TCP 协议和 UDP 协议有一个直观的认识，后面再详细讨论。
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TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）
① 传输层协议。
② 有连接。
③ 可靠传输。
④ 面向字节流。 -
UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）
① 传输层协议。
② 无连接。
③ 不可靠传输。
④ 面向数据报。
TCP 的可靠和 UDP 的不可靠都是中性词，客观的，没有谁好谁不好，只有谁更合适。
4.网络字节序
我们已经知道，内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分，磁盘文件中的多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端和小端之分。网络数据流同样有大端和小端之分，那么为了避免网络通信中不同主机大小端不一致的问题，应如何定义网络数据流的地址呢？
- 发送主机通常将发送缓冲区中的数据按内存地址从低到高的顺序发出。
- 接收主机把从网络上接收到的字节依次保存在接收缓冲区中，也是按内存地址从低到高的顺序保存。
- 因此，网络数据流的地址应该这样规定：先发出的数据是低地址，后发出的数据是高地址。
- 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机，就需要先将数据转成大端，否则就忽略，直接发送即可。
为了使网络程序具有可移植性，使同样的 C 代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行，可以调用以下库函数做网络字节序和主机字节序的转换：
以上函数的作用：
① 如果主机是小端字节序，这些函数将参数转换为大端字节序，然后返回。
② 如果主机是大端字节序，这些函数不做转换，将参数原封不动地返回。
注：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。
举个例子：htonl函数表示将 32 位的长整数从主机字节序转换为网络字节序。
二、socket 编程接口
0. socket 常见 API
网络通信的标准方式有很多种，比如基于 IP 的网络通信（它对应的通信协议家族是 AF_INET，网络套接字），还有原始套接字、域间套接字。有很多种类的套接字，其实就是编程接口。这几种编程接口都是各自不同的体系，于是就会有不同套的编程接口，这样就会很麻烦，因此，干脆把不同套的编程接口统一为同一套编程接口，也就是下面的这一套。换言之，要使用不同种类的通信方式，只需要改变传入的参数即可。
// 创建 socket 文件描述符 (客户端 + 服务器, TCP/UDP)
int socket(int domain, int type, int protocol);
// 绑定端口号 (服务器, TCP/UDP)
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
// 设置socket文件状态为监听状态 (服务器, TCP)
int listen(int sockfd, int backlog);
// 接受连接 (服务器, TCP)
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
// 发起连接 (客户端, TCP)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
于是，为了支持不同种类的通信方式，struct sockaddr的结构就被设计出来了，它是一种通用结构。
IPv4 地址使用的结构体是
struct sockaddr_in，我们后面经常用到它，其定义为：
socket API 的参数都用struct sockaddr *类型表示，在使用时传入各种类型的struct sockaddr指针，强转成struct sockaddr *即可。
这样，API 内部只要取得某种struct sockaddr的首地址，不需要知道具体类型，就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容。
1. socket 系统调用
socket的作用：为网络通信创建一个 socket 文件。
socket的参数：
① domain：指定协议家族。我们选择 AF_INET 。
② type：指定套接字类型。对于 TCP ，应选择 SOCK_DGRAM ；对于 UDP ，应选择 SOCK_STREAM 。
③ protocol：指定协议类型。在 TCP 和 UDP 中，我们设为 0 即可。
socket的返回值：
① 成功，返回一个 socket 文件描述符。
② 错误，返回 -1 。
2. bind 系统调用
bind的作用：将本地地址和一个 socket 文件进行绑定。
bind的参数：
① sockfd：传入 socket 文件描述符。
② addr：用于指定本端的 socket 信息。
③ addrlen：用于指定本端的 socket 信息的大小。
bind的返回值：
① 成功，返回 0 。
② 错误，返回 -1 。
3. recvfrom 系统调用
recvfrom的作用：从一个 socket 文件接收数据。
recvfrom的参数：
① sockfd：传入 socket 文件描述符。
② buf：用于存放读到的数据的用户层缓冲区。
③ len：用户层缓冲区的大小。
④ flags：读的方式。我们这里默认设为 0 即可。
⑤ src_addr：输入输出型参数，用于获取对端的 socket 信息。
⑥ addrlen：输入输出型参数，用于获取对端的 socket 信息的大小。
recvfrom的返回值：
① 成功，返回接收的字节数（当对端连接关闭时，返回 0）。
② 错误，返回 -1 。
4. sendto 系统调用
sendto的作用：从一个 socket 文件发送数据。
sendto的参数：
① sockfd：传入 socket 文件描述符。
② buf：用于发送数据的用户层缓冲区。
③ len：发送数据的长度。
④ flags：发送的方式。我们这里默认设为 0 即可。
⑤ dest_addr：目标对端的 socket 信息。
⑥ addrlen：目标对端的 socket 信息的大小。
sendto的返回值：
① 成功，返回发送的字节数。
② 错误，返回 -1 。
5. listen 系统调用
listen的作用：设置一个 socket 文件状态为监听状态，允许该 socket 文件被连接。
listen的参数：
① sockfd：传入 socket 文件描述符。
② backlog：设置连接队列的最大长度。
listen的返回值：
① 成功，返回 0 。
② 错误，返回 -1 。
6. accept 系统调用
accept的作用：从一个 socket 文件接受一个连接。
accept的参数：
① sockfd：传入处于 listen 状态的 socket 文件描述符。
② addr：输入输出型参数，用于获取对端的 socket 信息。
③ addrlen：输入输出型参数，用于获取对端的 socket 信息的大小。
accept的返回值：
① 成功，返回一个文件描述符。
② 错误，返回 -1 。
7. connect 系统调用
connect的作用：在一个 socket 文件上向目标发起连接。
connect的参数：
① sockfd：传入 socket 文件描述符。
② addr：目标对端的 socket 信息。
③ addrlen：目标对端的 socket 信息的大小。
connect的返回值：
① 成功，返回 0 。
② 错误，返回 -1 。
三、简单的 UDP 网络程序
一个服务器，必须得让客户端知道对应服务器的 socket 信息（IP + port）。
一般的服务器的 port ，必须是众所周知的，而且不能被轻易改变！
1. udp echo
程序说明：client 输入数据发送给 server ，server 接收数据后打印出来，并返回给 client 。
下面包含两个源文件：
① udp_server.cc：服务端。
② udp_client.cc：客户端。
- udp_server.cc：
// udp_server.cc
#include - udp_client.cc：
// udp_client.cc
#include 运行测试：
2.加入应用逻辑 – 执行简单的 shell 命令
程序说明：client 输入 shell 命令发送给 server ，server 接收命令后打印出来，并返回执行命令的结果给 client 。
popen函数的作用是执行传入的第一个参数 command ，执行完 command 后其结果会保存到一个文件，该函数会返回该文件的文件指针，第二个参数 type 表示以什么方式打开这个文件。popen函数的底层原理是先fork创建出子进程再pipe实现双方通信，让父进程通过文件指针拿到结果。
pclose函数的作用是关闭该文件。
下面包含两个源文件：
① udp_server.cc：服务端。
② udp_client.cc：客户端。
- udp_server.cc：
// udp_server.cc
#include - udp_client.cc：
// udp_client.cc
#include 运行测试：
四、简单的 TCP 网络程序
程序说明：client 输入数据发送给 server ，server 接收数据后打印出来，并返回给 client 。
下面包含两个源文件：
① tcp_server.cc：服务端。
② tcp_client.cc：客户端。
1.单进程版本
- tcp_server.cc：
// tcp_server.cc
#include - tcp_client.cc：
// tcp_client.cc
#include 运行测试：
2.多进程版本
- tcp_server.cc：
// tcp_server.cc
#include - tcp_client.cc：
// tcp_client.cc
#include 运行测试：
3.多线程版本
- tcp_server.cc：
// tcp_server.cc
#include - tcp_client.cc：
// tcp_client.cc
#include 运行测试：
4.线程池版本
上面的多进程版本和多线程版本的网络程序都是有问题的：创建进程或线程无上限，而且当客户端连接来了，我们才给客户端创建进程或线程。
实际上，最好是线程池版本。
下面包含四个文件：
① Task.hpp：任务的声明和定义。
② thread_pool.hpp：线程池的声明和定义。
③ tcp_server.cc：服务端。
④ tcp_client.cc：客户端。
- Task.hpp：
// Task.hpp
#pragma once
#include - thread_pool.hpp：
// thread_pool.hpp
#pragma once
#include - tcp_server.cc：
// tcp_server.cc
#include - tcp_client.cc：
// tcp_client.cc
#include 运行测试：
5. TCP 简单总结
- 创建 socket 的过程，
socket()，本质是打开文件 – 仅仅有系统相关的内容。 bind()，struct sockaddr_in -> IP, port，本质是 IP + port 和文件信息进行关联。listen()，本质是设置该 socket 文件状态为监听状态，允许客户端来连接。connect()，本质是发起连接，系统层面：就是构建一个请求报文发送过去。网络层面：发起 TCP 连接的三次握手。accept()，获取新连接到应用层，是以 fd 为代表的。- 读/写，本质就是进行网络通信，但是对于用户来讲，相当于在进行正常的文件读写。
close()，关闭文件，系统层面：释放曾经申请的文件资源、连接资源等。网络层面：通知对方，连接已经关闭了，其实就是在进行四次挥手。
当有很多连接连上服务器时，OS 中会存在大量的连接，于是 OS 要管理这些已经建立好的连接。如何管理呢？先描述再组织。
所谓的连接，在 OS 层面上，其实就是一个描述连接的文件结构体。