Linux应用开发基础知识——网络通信编程(九)
前言：
通过学习为后续Linux网络编程奠定基础。首先介绍网络编程的概念，即网络协议分层，旨在帮助读者对网络建立初步的、全面立体的认识，其次介绍包括协议、端口、地址等；最后介绍应用非常广泛的传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）的基本概念及其区别以及这两种协议的编程。
一、网络编程概念
1 网络通信概述
（1） IP 和端口
所有的数据传输，都有三个要素 ：源、目的、长度。
在网络传输中需要使用“IP 和端口”来表示源或目的
（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。
2.两种传输方式：TCP/UDP
在一般的网络书籍中，网络协议被分为 5 层
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。
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）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。
（2）为何存在UDP协议
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。
（3）TCP/UDP 网络通信大概交互图
TCP协议
UDP协议
二、网络编程主要函数介绍
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。
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。
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.bind 函数
int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);
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]; };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。
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。
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函数 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 。
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。
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
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
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）。
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。
bdest_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。
三、TCP 编程
1.服务器端 server.c
1 #include /* See NOTES */
2 #include
3 #include
4 #include
5 #include
6 #include
7 #include
8 #include
9 #include
10
11
12 /* socket
13 * bind
14 * listen
15 * accept
16 * send/recv
17 */
18
19 #define SERVER_PORT 8888
20 #define BACKLOG 10
21
22 int main(int argc, char **argv)
23 {
24 int iSocketServer;
25 int iSocketClient;
26 struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
27 struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
28 int iRet;
29 int iAddrLen;
30
31 int iRecvLen;
32 unsigned char ucRecvBuf[1000];
33
34 int iClientNum = -1;
35
36 signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
37
38 iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
39 if (-1 == iSocketServer)
40 {
41 printf("socket error!\n");
42 return -1;
43 }
44
45 tSocketServerAddr.sin_family = AF_INET;
46 tSocketServerAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); /* host to net, short */
47 tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
48 memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
49
50 iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
51 if (-1 == iRet)
52 {
53 printf("bind error!\n");
54 return -1;
55 }
56
57 iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG);
58 if (-1 == iRet)
59 {
60 printf("listen error!\n");
61 return -1;
62 }
63
64 while (1)
65 {
66 iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
67 iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
68 if (-1 != iSocketClient)
69 {
70 iClientNum++;
71 printf("Get connect from client %d : %s\n", iClientNum, inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr));
72 if (!fork())
73 {
74 /*子进程的源码*/
75 while (1)
76 {
77 /* 接收客户端发来的数据并显示出来 */
78 iRecvLen = recv(iSocketClient, ucRecvBuf, 999, 0);
79 if (iRecvLen <= 0)
80 {
81 close(iSocketClient);
82 return -1;
83 }
84 else
85 {
86 ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
87 printf("Get Msg From Client %d: %s\n", iClientNum, ucRecvBuf);
88 }
89 }
90 }
91 }
92 }
93
94 close(iSocketServer);
95 return 0;
96 }
第19行： 宏定义一个端口
第20行： 宏定义一个同时监听多少路连接
第26行： 定义一个服务器端的sockaddr_in结构体
第27行： 定义一个客户端的sockaddr_in结构体
38 iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);第38行：创建一个套接字
AF_INET 是针对 Internet 的，因而可以允许远程通信使用
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。
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。
第45行：如果使用 Internet 所以 sin_family 一般为 AF_INET
第46行：sin_port 是要监听的端口号，端口号19行有定义
第47行：sin_addr 设置为 INADDR_ANY 表示可以和任何的主机通信，监测本机上所有的IP。
第48行：将结构体中sin_zero[8]设置为0。
50 iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));第50行：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。
57 iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG);第57行：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。
67 iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);第67行： 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函数 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 。
第68行： 如果！= -1则表明已经连接成功
第70行：统计客户端的数量
第71行： 获取并且打印客户端
第72行： 当遇到进程会复制一个新进程，实现接收多个客户端
第75~89行：子进程源码
接收客户端发来的数据并显示出来
第94行： 关闭服务器端
2.客户端 client.c
1 #include /* See NOTES */
2 #include
3 #include
4 #include
5 #include
6 #include
7 #include
8 #include
9
10 /* socket
11 * connect
12 * send/recv
13 */
14
15 #define SERVER_PORT 8888
16
17 int main(int argc, char **argv)
18 {
19 int iSocketClient;
20 struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
21
22 int iRet;
23 unsigned char ucSendBuf[1000];
24 int iSendLen;
25
26 if (argc != 2)
27 {
28 printf("Usage:\n");
29 printf("%s \n", argv[0]);
30 return -1;
31 }
32
33 iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
34
35 tSocketServerAddr.sin_family = AF_INET;
36 tSocketServerAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); /* host to net, short */
37 //tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
38 if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
39 {
40 printf("invalid server_ip\n");
41 return -1;
42 }
43 memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
44
45
46 iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
47 if (-1 == iRet)
48 {
49 printf("connect error!\n");
50 return -1;
51 }
52
53 while (1)
54 {
55 if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
56 {
57 iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
58 if (iSendLen <= 0)
59 {
60 close(iSocketClient);
61 return -1;
62 }
63 }
64 }
65
66 return 0;
67 }
68
第19行： 定义客户端
第20行： 服务器端的地址
第23行： 客户端信息的空间
第24行： 发送的长度
第26~36行： 获取服务器端的地址并且打印出来，第33行分配一个地址
第38~42行：将IP地址转换并存到 &tSocketServerAddr.sin_addr
46 iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));第46行 ：建立客户端与服务器端的联系，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。
第55行： 获得缓冲区
57 iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);第57行： send 函数来向 TCP 连接的另一端发送数据
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
第58~ 62行： 如果发送失败关闭客户端并且返回-1
3.运行测试：
四、UDP编程
1.服务器端 server.c
1 #include /* See NOTES */
2 #include
3 #include
4 #include
5 #include
6 #include
7 #include
8 #include
9 #include
10
11
12 /* socket
13 * bind
14 * sendto/recvfrom
15 */
16
17 #define SERVER_PORT 8888
18
19 int main(int argc, char **argv)
20 {
21 int iSocketServer;
22 int iSocketClient;
23 struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
24 struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
25 int iRet;
26 int iAddrLen;
27
28 int iRecvLen;
29 unsigned char ucRecvBuf[1000];
30
31 int iClientNum = -1;
32
33 iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
34 if (-1 == iSocketServer)
35 {
36 printf("socket error!\n");
37 return -1;
38 }
39
40 tSocketServerAddr.sin_family = AF_INET;
41 tSocketServerAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); /* host to net, short */
42 tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
43 memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
44
45 iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
46 if (-1 == iRet)
47 {
48 printf("bind error!\n");
49 return -1;
50 }
51
52
53 while (1)
54 {
55 iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
56 iRecvLen = recvfrom(iSocketServer, ucRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
57 if (iRecvLen > 0)
58 {
59 ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
60 printf("Get Msg From %s : %s\n", inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr), ucRecvBuf);
61 }
62 }
63
64 close(iSocketServer);
65 return 0;
66 }
第33行： SOCK_DGRAM设置为UDP模式
56 iRecvLen = recvfrom(iSocketServer, ucRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);第55行： 获取地址长度
第56行： 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.客户端 client.c
1 #include /* See NOTES */
2 #include
3 #include
4 #include
5 #include
6 #include
7 #include
8 #include
9
10 /* socket
11 * connect
12 * send/recv
13 */
14
15 #define SERVER_PORT 8888
16
17 int main(int argc, char **argv)
18 {
19 int iSocketClient;
20 struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
21
22 int iRet;
23 unsigned char ucSendBuf[1000];
24 int iSendLen;
25 int iAddrLen;
26
27 if (argc != 2)
28 {
29 printf("Usage:\n");
30 printf("%s \n", argv[0]);
31 return -1;
32 }
33
34 iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
35
36 tSocketServerAddr.sin_family = AF_INET;
37 tSocketServerAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); /* host to net, short */
38 //tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
39 if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
40 {
41 printf("invalid server_ip\n");
42 return -1;
43 }
44 memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
45
46 #if 0
47 iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
48 if (-1 == iRet)
49 {
50 printf("connect error!\n");
51 return -1;
52 }
53 #endif
54
55 while (1)
56 {
57 if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
58 {
59 #if 0
60 iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
61 #else
62 iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
63 iSendLen = sendto(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0,
64 (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, iAddrLen);
65
66 #endif
67 if (iSendLen <= 0)
68 {
69 close(iSocketClient);
70 return -1;
71 }
72 }
73 }
74
75 return 0;
76 }
77
63 iSendLen = sendto(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0, 64 (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, iAddrLen);第63和64行：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。
bdest_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。
3.运行测试
