Linux网络编程之TCP/IP通信基础以及例程分享
目录
协议的概念
典型协议举例
什么是TCP/IP协议栈
套接字编程基础
TCP/IP通信相关API函数
socket()
bind()
listen()
accept()
connect()
TCP/IP通信的C/S模型分析
C/S通信模型相关例程
例程分析
客户端代码：
服务器端代码：
例程分享
客户端
服务器端
协议的概念
从应用的角度出发，协议可理解为“规则”，是数据传输和数据的解释的规则。
假设，A、B双方欲传输文件。规定：
第一次，传输文件名，接收方接收到文件名，应答OK给传输方；
第二次，发送文件的尺寸，接收方接收到该数据再次应答一个OK；
第三次，传输文件内容。同样，接收方接收数据完成后应答OK表示文件内容接收成功。
由此，无论A、B之间传递何种文件，都是通过三次数据传输来完成。A、B之间形成了一个最简单的数据传输规则。双方都按此规则发送、接收数据。A、B之间达成的这个相互遵守的规则即为协议。
这种仅在A、B之间被遵守的协议称之为原始协议。当此协议被更多的人采用，不断的增加、改进、维护、完善。最终形成一个稳定的、完整的文件传输协议，被广泛应用于各种文件传输过程中。该协议就成为一个标准协议。最早的ftp协议就是由此衍生而来。
典型协议举例
传输层 常见协议有TCP/UDP协议。
应用层 常见的协议有HTTP协议，FTP协议。
网络层 常见协议有IP协议、ICMP协议、IGMP协议。
网络接口层 常见协议有ARP协议、RARP协议。
TCP传输控制协议（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
UDP用户数据报协议（User Datagram Protocol）是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。
HTTP超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol）是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。
FTP文件传输协议（File Transfer Protocol）
IP协议是因特网互联协议（Internet Protocol）
ICMP协议是Internet控制报文协议（Internet Control Message Protocol）它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。
IGMP协议是 Internet 组管理协议（Internet Group Management Protocol），是因特网协议家族中的一个组播协议。该协议运行在主机和组播路由器之间。
ARP协议是正向地址解析协议（Address Resolution Protocol），通过已知的IP，寻找对应主机的MAC地址。
RARP是反向地址转换协议，通过MAC地址确定IP地址。
什么是TCP/IP协议栈
TCP/IP网络协议栈分为应用层（Application）、传输层（Transport）、网络层（Network）和链路层（Link）四层。如下图所示：
- 应用层（Application Layer）：应用层是最靠近用户的一层，它提供了用户与网络之间的接口。在应用层，应用程序可以通过使用各种协议（如HTTP、FTP、SMTP等）来进行通信。应用层的主要任务是处理应用程序之间的通信和数据交换。
- 传输层（Transport Layer）：传输层负责在网络中的两个主机之间提供可靠的端到端数据传输。传输层使用两个主要的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。TCP提供可靠的、面向连接的数据传输，而UDP提供不可靠的、无连接的数据传输。
- 网络层（Network Layer）：网络层负责在网络中的不同主机之间提供数据包的传输和路由。网络层使用Internet协议（IP）来标识和定位主机，并使用路由协议来选择最佳路径将数据包从源主机发送到目标主机。
- 链路层（Link Layer）：链路层负责在物理网络中传输数据帧。它处理与物理介质的接口，如以太网、Wi-Fi等。链路层还负责错误检测和纠正，以确保数据的可靠传输。
这四个层次相互依赖，每个层次都有自己的协议和功能。通过TCP/IP协议栈，不同的应用程序可以在网络上进行通信，并实现数据的可靠传输和路由。
一般在应用开发过程中，讨论最多的是TCP/IP模型。两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下所示：
TCP是一种面向连接的、可靠的协议，有点像打电话，双方拿起电话互通身份之后就建立了连接，然后说话就行了，这边说的话那边保证听得到，并且是按说话的顺序听到的，说完话挂机断开连接。也就是说TCP传输的双方需要首先建立连接，之后由TCP协议保证数据收发的可靠性，丢失的数据包自动重发，上层应用程序收到的总是可靠的数据流，通讯之后关闭连接。
套接字编程基础
socket本身有“插座”的意思，在Linux环境下，用于表示进程间网络通信的特殊文件类型。本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。既然是文件，那么理所当然的，我们可以使用文件描述符引用套接字。与管道类似的，Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口，使得读写套接字和读写文件的操作一致。区别是管道主要应用于本地进程间通信，而套接字多应用于网络进程间数据的传递。
在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。“IP地址+端口号”就对应一个socket。欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。
TCP/IP通信相关API函数
socket()
功能
创建一个套接字，用于后续的通信操作
头文件
#include /* See NOTES */
#include
原型
int socket(int domain, int type, int protocol);
参数
domain：协议族，常用的是AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6）。
type：套接字类型，常用的是SOCK_STREAM（流套接字）或SOCK_DGRAM（数据报套接字）。
protocol：协议，通常为0，表示使用默认协议。
返回值
成功 套接字文件描述符
失败 -1 bind()
功能
将套接字与指定的地址和端口绑定，使套接字能够监听指定的地址和端口。
头文件
#include /* See NOTES */
#include
原型
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数
sockfd：套接字描述符。
addr：指向要绑定的地址结构体的指针。
addrlen：地址结构体的长度。
返回值
成功 0
失败 -1
struct sockaddr_in servaddr;
servaddr.sin_family = AF_INET; //地址类型
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //本机ip地址
servaddr.sin_port = htons(6666); //端口号 listen()
功能
设置监听上限，服务器的最大链接数
头文件
#include /* See NOTES */
#include
原型
int listen(int sockfd, int backlog);
参数
sockfd：套接字描述符。
backlog：连接请求队列的最大长度。
返回值
成功 0
失败 -1 accept()
功能
接受客户端的连接请求，返回一个新的套接字用于与客户端进行通信
头文件
#include /* See NOTES */
#include
原型
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
参数
sockfd：套接字描述符。
addr：用于存储客户端地址的结构体指针。
addrlen：addr结构体的长度。
返回值
成功 新的套接字文件描述符，用于与客户端通信
失败 -1 connect()
功能
将客户端的套接字连接到服务器的套接字，建立通信连接
头文件
#include /* See NOTES */
#include
原型
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数
sockfd：套接字描述符。
addr：指向服务器地址结构体的指针。
addrlen：地址结构体的长度。
返回值
成功 0
失败 -1 TCP/IP通信的C/S模型分析
TCP/IP通信的C/S模型是指基于TCP/IP协议的客户端/服务器（C/S）模型，它是一种网络通信模型，通常用于实现网络中的应用程序之间的通信。在TCP/IP通信的C/S模型中，有两类主要角色：
- 客户端（Client）： 客户端是请求服务的一方。它通常向服务器发送请求，并等待服务器的响应。客户端负责发起通信，并在与服务器建立连接后发送请求数据或命令。
- 服务器（Server）： 服务器是提供服务的一方。它等待来自客户端的连接请求，并对这些请求进行处理。一旦接受了客户端的连接请求，服务器就可以与客户端进行通信，处理请求并提供相应的服务或数据。
在C/S模型中，客户端和服务器通过网络进行通信。客户端与服务器之间的通信遵循一种请求-响应的模式，其中客户端发送请求，服务器接收并处理请求，然后返回响应给客户端。
C/S通信模型如下：
下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程：
服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后，调用accept()阻塞等待，处于监听端口的状态，客户端调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK段，服务器收到后从accept()返回。
建立连接后，TCP协议提供全双工的通信服务，但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主动发起请求，服务器被动处理请求，一问一答的方式。因此，服务器从accept()返回后立刻调用read()，读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待，这时客户端调用write()发送请求给服务器，服务器收到后从read()返回，对客户端的请求进行处理，在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答，服务器调用write()将处理结果发回给客户端，再次调用read()阻塞等待下一条请求，客户端收到后从read()返回，发送下一条请求，如此循环下去。
如果客户端没有更多的请求了，就调用close()关闭连接，就像写端关闭的管道一样，服务器的read()返回0，这样服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close()关闭连接。注意，任何一方调用close()后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。如果一方调用shutdown()则连接处于半关闭状态，仍可接收对方发来的数据。
在学习socket API时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的： 应用程序调用某个socket函数时TCP协议层完成什么动作，比如调用connect()会发出SYN段 应用程序如何知道TCP协议层的状态变化，比如从某个阻塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段，再比如read()返回0就表明收到了FIN段
C/S通信模型相关例程
例程分析
在这个示例中，客户端会将命令行参数中的消息内容发送给服务器，服务器会将接收到的消息转换为大写并返回给客户端。客户端和服务器之间通过套接字进行通信，并使用TCP/IP协议来确保数据的可靠传输。
客户端代码：
- 创建一个套接字
sockfd。 - 设置服务器地址和端口号，并与服务器建立连接。
- 将命令行参数中的消息内容存储到
str 变量中。 - 将消息内容通过套接字发送给服务器。
- 从服务器接收响应，并打印在控制台上。
- 关闭套接字。
服务器端代码：
- 创建一个套接字
listenfd。 - 绑定服务器地址和端口号。
- 监听连接请求。
- 进入循环，等待客户端连接。
- 接受客户端连接，获取客户端的地址和端口号。
- 从客户端接收消息，并打印客户端的地址和端口号。
- 将接收到的消息转换为大写，并通过套接字发送给客户端。
- 关闭连接。
例程分享
客户端
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sockaddr_in servaddr;
char buf[MAXLINE];
int sockfd, n;
char *str;
if (argc != 2) {
fputs("usage: ./client message\n", stderr);
exit(1);
}
str = argv[1];
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
write(sockfd, str, strlen(str));
n = read(sockfd, buf, MAXLINE);
printf("Response from server:\n");
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
close(sockfd);
return 0;
}
服务器端
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666
int main(void)
{
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
socklen_t cliaddr_len;
int listenfd, connfd;
char buf[MAXLINE];
char str[INET_ADDRSTRLEN];
int i, n;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
listen(listenfd, 20);
printf("Accepting connections ...\n");
while (1) {
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
n = read(connfd, buf, MAXLINE);
printf("received from %s at PORT %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
ntohs(cliaddr.sin_port));
for (i = 0; i < n; i++)
buf[i] = toupper(buf[i]);
write(connfd, buf, n);
close(connfd);
}
return 0;
}