1 网络通信概述
1.1 IP 和端口
所有的数据传输,都有三个要素 :源、目的、长度。
怎么表示源或者目的呢?请看图
![网络编程TCP/UDP通信_第1张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/37433a99664a41d3b00875ad2391b2d7.jpg)
所以,在网络传输中需要使用“IP 和端口”来表示源或目的。
1.2 网络传输中的 2 个对象:server 和 client
我们经常访问网站,这涉及 2 个对象:网站服务器,浏览器。网站服务器平时安静地呆着,浏览器主动发起数据请求。网站服务器、浏览器可以抽象成 2 个软件的概念:server 程序、 client 程序。
![网络编程TCP/UDP通信_第2张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/a74b02510f274c888eaeec6c3ddc8582.jpg)
1.3 两种传输方式:TCP/UDP
在一般的网络书籍中,网络协议被分为 5 层,如图
![网络编程TCP/UDP通信_第3张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/7d8b8035ce594d92961f8b893afbd69b.jpg)
应用层:它是体系结构中的最高层,直接为用户的应用进程(例如电子邮件、文件传输和终端仿真)提供服务。在因特网中的应用层协议很多,如支持万维网应用的 HTTP 协议,支持电子邮件的 SMTP 协议,支持文件传送的 FTP 协议, DNS ,POP3, SNMP , Telnet 等等。
运输层:负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。
运输层主要使用以下两种协议:
传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol) :面向连接的,数据传输的单位是报文段,能够提供可靠的交付。
用户数据包协议 UDP(User Datagram Protocol) :无连接的,数据传输的单位是用户数据报,不保证提供可靠的交付,只能提供“ 尽最大努力交付 ” 。
⚫ 网络层:负责将被称为数据包( datagram )的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。
⚫ 链路层:因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。
⚫ 物理层:在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。
这些层对于初学者来说很难理解,我们只需要知道:我们需要使用“运输层” 编写应用程序,我们的应用程序位于“应用层”。
使用“运输层”时,可以选择 TCP 协议,也可以选择 UDP 协议。
1.3.1 TCP 和 UDP 原理上的区别
TCP 向它的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务有 2 个特点:可靠传输、流量控制(即发送方/ 接收方速率匹配)。它包括了应用层报文划分为短报文,并提供拥塞控制机制。
UDP 协议向它的应用程序提供无连接服务。它没有可靠性,没有流量控制,也没有拥塞控制。
1.3.2 为何存在 UDP 协议
既然 TCP 提供了可靠数据传输服务,而 UDP 不能提供,那么 TCP 是否总是首选呢?
答案是否定的,因为有许多应用更适合用 UDP ,举个例子:视频通话时,使用 UDP ,偶尔的丢包、偶尔的花屏时可以忍受的;如果使用 TCP ,每个数据包都要确保可靠传输,当它出错时就重传,这会导致后续的数据包被阻滞,视频效果反而不好。
使用 UDP 时,有如下特点:
1.关于何时发送什么数据控制的更为精细
采用 UDP 时只要应用进程将数据传递给 UDP , UDP 就会立即将其传递给网络层。而 TCP 有重传机制,而不管可靠交付需要多长时间。但是实时应用通常不希望过分的延迟报文段的传送,且能容忍一部分数据丢失。
2.无需建立连接,不会引入建立连接时的延迟。
3.无连接状态,能支持更多的活跃客户。
4.分组首部开销较小。
1.3.3 TCP/UDP 网络通信大概交互图
下面我们分别画出运用 TCP 协议和运用 UDP 协议的客户端和服务器大概交互图。
面向连接的 TCP 流模式:
![网络编程TCP/UDP通信_第4张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/8ba9b2f7898c4bdca626352ef7c4123e.jpg)
UDP 用户数据包模式:
![网络编程TCP/UDP通信_第5张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/414352241d904366a91b44c5f96f607e.jpg)
2 网络编程主要函数介绍
2.1 socket 函数
int socket(int domain, int type,int protocol);
此函数用于创建一个套接字。
⚫ domain 是网络程序所在的主机采用的通讯协族 (AF_UNIX 和 AF_INET 等 ) 。
◼ AF_UNIX 只能够用于单一的 Unix 系统进程间通信,而 AF_INET 是针对 Internet 的,因而可以允许远程通信使用。
⚫ type 是网络程序所采用的通讯协议 (SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM 等 ) 。
◼ SOCK_STREAM 表明用的是 TCP 协议,这样会提供按顺序的,可靠,双向,面向连接的比特流。
◼ SOCK_DGRAM 表明用的是 UDP 协议,这样只会提不可靠,无连接的通信。
⚫ 关于 protocol ,由于指定了 type ,所以这个地方一般只要用 0 来代替就可以了。
此函数执行成功时返回文件描述符,失败时返回-1, 看 errno 可知道出错的详细情况。
2.2 bind 函数
int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);
从函数用于将地址绑定到一个套接字。
⚫ sockfd 是由 socket 函数调用返回的文件描述符。
⚫ my_addr 是一个指向 sockaddr 的指针。
⚫ addrlen 是 sockaddr 结构的长度。
sockaddr 的定义:
struct sockaddr{
unisgned short as_family;
char sa_data[14];
};
不 过 由 于 系 统 的 兼 容 性 , 我 们 一 般 使 用 另 外 一 个 结 构 (struct sockaddr_in) 来代替。 sockaddr_in 的定义:
struct sockaddr_in{
unsigned short sin_family;
unsigned short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
unsigned char sin_zero[8];
}
如果使用 Internet 所以 sin_family 一般为 AF_INET 。
⚫ sin_addr 设置为 INADDR_ANY 表示可以和任何的主机通信。
⚫ sin_port 是要监听的端口号。
⚫ bind 将本地的端口同 socket 返回的文件描述符捆绑在一起 . 成功是返回 0,失败的情况和 socket 一样。
2.3 listen 函数
int listen(int sockfd,int backlog);
此函数宣告服务器可以接受连接请求。
⚫ 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。
2.4 accept 函数
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr,int *addrlen);
服务器使用此函数获得连接请求,并且建立连接。
⚫ 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 。
2.5 connect 函数
int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);
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 。
2.6 send 函数
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
2.7 recv 函数
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。
2.8 recvfrom 函数
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 )。
2.9 sendto 函数
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 。