Linux 网络编程 —— 网络基础与相关 API

目录

1. 网络基础

1.1 TCP/IP协议

1.2 网络的体系结构

1.3 TCP/IP协议族体系

1.4 网络预备知识

1.4.1 socket

1.4.2 IP地址

1.4.3 端口号

1.4.4 字节序

1.4.5 字节转换函数

1.4.6 TCP/UDP对比

2. TCP 编程 API

2.1 socket 函数

2.2 bind 函数

2.3 listen 函数

2.4 accept函数

2.5 客户端连接函数 connect

 3. UDP 编程

3.1 send 函数

3.2 recv 函数

4. 并发服务器

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1. 网络基础

1.1 TCP/IP协议

• 用来检测网络传输中差错的传输控制协议 TCP
• 专门负责对不同网络进行互联的互联网协议 IP

1.2 网络的体系结构

• 网络采用分而治之的方法设计，将网络的功能划分为不同的模块，以分层的形式有机组合在一起
• 每层实现不同的功能，其内部实现方法对外部其他层次来说是透明的。每层向上层提供服务，同时使用下层提供的服务。
• 网络体系结构即指网络的层次结构和每层所使用的协议的集合。
• 两类非常重要的体系结构:OSI和 TCP/IP
• OSI模型相关的协议已经很少使用，但模型本身非常通用
• OSI模型是一个理想化的模型，尚未有完整的实现
• OSI模型共有七层

1.3 TCP/IP协议族体系

• TCP/IP协议族体系是Internet事实上的工业标准。
• 一共有四层

应用层	Relnet,FTP,HTTP,DNS,SMTP等
传输层	TCP和UDP
网络层	IP，ICMP和IGMP，端到端传输
网络接口和物理层	以太网，令牌环网，FDDI，wifi,gps/2G/3G/4G，驱动（屏蔽硬件差异）

1.4 网络预备知识

1.4.1 socket

        是一个编程接口，是一个特殊的文件描述符（对他执行IO的操作函数，比如read,write,close等），并不仅限于TCP/IP协议，面向连接TCP，无连接UDP。

        socket代表网络编程的一种资源

       分类：

• 1.流式套接字（SOCK_STREAM）。唯一对应 TCP 提供了一个面向连接，可靠的数据传输服务，数据无差错，无重复的发送顺序接收。内射击流量控制，避免数据流淹没慢的接收方。数据被看作式字节流，无长度限制。
• 2.数据包套接字（SOCK_DGRAM）。唯一对应UDP提供无连接服务器，数据包以独立数据包的形式被发送，不提供无差错保证，数据可能丢失或重复，顺序发送，可能乱序接收。
• 3.原始套接字（SOCK_RAW）。对应多个协议，发送穿透了传输层可以对较低层次协议如IP，ICMP直接访问。

1.4.2 IP地址

        IP地址是Internet中主机的标识，Internet中的主机要与别的机器通信必须具有一个IP地址，IP地址为32为（Ipv4）或者128位（Ipv6），每个数据包都必须携带目的IP地址和源IP地址，路由器依靠此信息为数据包选择路由

        表示的形式：常用点分形式，如202.38.64.10，最后都会转化成一个32位的无符号整数

1.4.3 端口号

• 16位数字，1-65535，
• 为了区分一台主机接收到的数据包应该转交给哪个任务进程处理，使用端口号来区别
• 预留端口，1-1023（FTP:24, SSH:22, HTTP: 80 ,HTTPS :469）
• 保留端口：1024-5000（不建议使用）
• 可以使用的端口： 5000~65535
• TCP端口号于UDP端口号独立
• 网络里的通信是由 IP地址+端口号 来决定的

1.4.4 字节序

小端模式：将低序字节存储在起始地址

大端模式：将高序字节存储在起始地址

• 字节序是指不同的CPU访问内存中的多字节数据时候，存在大小端的问题
• 如果CPU访问的是字符串，则不存在大小端问题
• 一般来说X86/ARM ： 小端模式
• power/miop:arm作为路由时，大端模式
• 网络传输的时候采用大端模式

1.4.5 字节转换函数

#include 

uint16_t htons(uint16_t host16bitvalue);    //返回网络字节序的值
uint32_t htonl(uint32_t host32bitvalue);    //返回网络字节序的值
uint16_t ntohs(uint16_t net16bitvalue);     //返回主机字节序的值
uint32_t ntohl(uint32_t net32bitvalue);     //返回主机字节序的值

h代表host，n代表net，s代表short（两个字节），l代表long（4个字节）,通过上面的4个函数可以实现主机字节序和网络字节序之间的转换。有时可以用INADDR_ANY，INADDR_ANY指定地址让操作系统自己获取

1.4.6 TCP/UDP对比

2. TCP 编程 API

2.1 socket 函数

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

参数
    domain
        AF_INET
        AF_INET6
        AF_UNIX,AF_LOCAL
        AF_NETLINK
        AF_PACKET
    type
        SOCK_STREAM: 流式套接字，唯一对应于TCP
        SOCK_DGRAM:数据报套接字，唯一对应着UDP
        SOCK_RAW:原始套接字
    protocol
        一般填0，原始套接字编程时需填充

    返回值
        成功返回文件描述符
        出错返回-1

如果是IPV6编程，要使用struct sockddr_in6结构体（man 7 IPV6）,通常使用struct sockaddr_storage来编程。

2.2 bind 函数

int bind(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen)

    参数
        sockfd:通过socket()函数拿到的fd
        addr:采用struct sockaddr的结构体地址,通用结构体

            struct sockaddr{
            sa_family_t sa_family;
            char sa_data[4];}

            struct sockaddr_in{ 基于Internel通信结构体
            as_family_t sin_family;
            in_port_t sin_port;
            struct in_addr sin_addr;
            sin_zero ， //填充字节，需清零
            }

            struct in_addr{
            uint32_t s_addr;
            }

    addrlen:地址长度

一般情况下都是对 sockaddr_in 结构体进行初始化赋值，然后强制转换为 sockaddr 类型传入 bind 函数进行绑定。

2.3 listen 函数

int listen(int sockfd,int backlog);

参数：
    sockfd: 通过socket()函数拿到的fd；
    backLog:同时允许几路客户端和服务器进行正在连接的过程（正在三次握手），一般填5。

内核中服务器的套接字fd会维护2个链表
    1.正在三次握手的客户端链表（数量=2*backlog+1）
    2.已经建立好连接的客户端链表（已经完成三次握手分配好了的newfd）

返回值：
    成功返回0
    出错返回-1

listen(fd,5)；//表示系统允许11（2*5+1）个客户端同时进行三次握手

2.4 accept函数

阻塞等待客户端连接请求

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

参数
    sockfd:经过前面socket()创建并通过bind(),listen()设置过的fd
    addr：指向存放地址信息的结构体的首地址，获取客户端IP地址和端口号
    addrlen：存放地址信息的结构体的大小

返回值
    成功，返回返回已经建立连接的新的newfd
    出错，返回-1

2.5 客户端连接函数 connect

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

参数：
    sockfd:通过socket()函数拿到的fd
    addr:struct sockaddr的结构体变量地址
    addrlen:地址长度

返回值：
    成功，返回0
    失败，返回-1

 3. UDP 编程

bind：绑定服务器：TCP地址和端口号
receivefrom：阻塞等待客户端数据
sendto：指定服务器的IP地址和端口号，要发送的数据

3.1 send 函数

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

参数：
    sockfd:socket函数返回的fd
    buffer:发送缓冲区首地址
    length:发送的字节
    flags:发送方式（通常为0），作用和write一样
        MSG_DONTWAIT，非阻塞
        MSG_OOB：用于TCP类型的带外数据（out of band）

返回值：
    成功：实际发送的字节数
    失败：-1，并设置errno

3.2 recv 函数

int recv( SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);

    flag:一般填0，和read作用一样
        特殊的标志：
        MSG_DONTWAIT
        MSG_OOB：读取带外数据
        MSG_PEEK:流

4. 并发服务器

• 1.TCP多线程服务器
• 2.TCP多进程并发服务器