9.1网络-socket1_TCP通信 2015/8/7

1.ISO参考模型：从下到上分别是，物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
TCP/IP模型：从下到上分别是，网络接口层、网络层、传输层、应用层

应用层：telnet、FTP和e-mail等
传输层：TCP和UDP
网络层：IP、ICMP和TGMP
链路层：设备驱动程序及接口卡

socket编程

在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一表示网络通讯中的一个进程，“IP地址+端口号”就称为socket

端口

逻辑意义上的端口，一般是指TCP/IP协议中的端口，端口号的范围从0到65535，比如用于浏览网页服务的80端口，用于FTP服务的21端口等。
(1) 端口号小于256的定义为常用端口，服务器一般都是通过常用端口号来识别的。
(2) 客户端只需保证该端口号在本机上是唯一的就可以了。客户端口号因存在时间很短暂又称为临时端口号；
(3) 大多数TCP/IP实现给临时端口号分1024--5000之间的端口号。大于5000的端口号是为其他服务器预留的。

MTU

MTU：通信术语  最大传输单元(Maximum Transmission Unit，MTU)
是指一种通信协议的某一层上面所能通过得最大数据包大小(以字节为单元)。最大传输单元这个参数通常与通信接口有关(网络接口卡，串口等)。
以下是一些协议的MTU
FDDI协议:   4352字节
以太网(Ethernet)协议:   1500字节
PPPoE(ADSL):    1492字节
X.25协议(Dial Up/Modem):    576字节
Point-to-Point: 4470字节

网络字节序

内存地址有大端(高存低，低存高)和小端(低存低，高存高)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小端之分。网络数据流同样有大端小端之分。
TCP/IP协议规定，网络数据流应采用大端字节序，即低地址存高字节，所以当电脑是小端对齐的时候，应该转换成大端之后再往外发，同理32位的ip地址也要考虑网络字节序和主机字节序的问题
为了是网络程序具有移植型，是同样的C代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行，可以调用一下库函数做网络字节序和主机字节序的转换。

32位的是ip，16位的是端口
#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

h表示host(主机字节序)，n表示network(网络字节序)，l表示32位长整数，s表示16位短整数

如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回，如果主机是大端字节序，这些函数不做转换，将参数原封不动的返回

ip地址转换函数

include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
支持IPv4和IPv6
可重入函数

socket

在内核创建一个通道(协议加工厂)，可以指定通道的网络层协议和传输层协议
返回一个文件描述符，用来索引内核中的通道

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

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

domain:
    AF_INET 这是大多数用来生产socket的协议，使用TCP或UDP来传输，用IPv4的地址
    AF_INET6 与上面类似，不过使用IPV6的地址
    AF_UNIX 本地协议，使用在Unix和Linux系统上，一般都是当客户端和服务器在同一台机器上的时候使用的
type:
    SOCK_STREAM 这个协议是按照顺序的、可靠地、数据完整的基于字节流的链接，这是一个使用最多的socket类型，这个socket是使用TCP来进程传输。
    SOCK_DGRAM  这个协议是无连接的、固定长度的传输调用。该协议是不可靠的，使用UDP来进行它的连接。
    SOCK_SEQPACKET 这个协议是双线路的、可靠地连接，发送固定长度的数据包来进行传输。必须把这个包完整的接收再能进行读取。
    SOCK_RAM 这个socket类型提供单一的网络访问，这个socket类型使用ICMP公共协议。(ping、traceroute使用该协议)
    SOCK_RDM 这个类型很少使用的，在大部分的操作系统上没有实现，它是提供给数据链路层使用，不保证数据包的顺序
protocol：
    0 默认协议
返回值：
    成功返回一个新的文件描述符，失败返回-1，设置errno

bind

把socket返回的文件描述符和addr(ip地址加端口号)进行绑定

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklent_t addrlen);
sockfd:
    socket文件描述符
addr:
    构造出IP地址加端口号
    struct sockaddr_in {    //ipv4
        __kernel_sa_family_t    sin_family;
        __be16                  sin_port;
        struct in_addr          sin_addr;
    };
        struct in_addr {
            __be32      s_addr;
        };
addrlen:
    sizeof(addr)长度,根据长度判断是那种类型的地址
返回值
    成功返回0，失败返回-1，设置errno

服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的，客户端程序得知服务器程序的地址和端口号之后就可以向服务器发起连接，因此服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号。

bind()的作用是将参数sockfd和addr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听addr所描述的地址和端口号。

构造addr
strcut sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(8000);
首先将整个结构体清零，然后设置地址类型为AF_INET，网络地址为INADDR_ANY，这个宏代表本地的任意ip地址，因为服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能绑定多个IP地址，这样设置可以在所有ip地址上监听，直到与某个客户端建立了链接时才确定下来到底用哪个IP地址，端口号为8000。

listen

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);
sockfd:socket文件描述符
backlog:排队建立3次握手队列和刚刚建立3次握手队列的链接数和

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 查看系统默认backlog

accept

传出通过socket接收到的客户端地址信息，并且把客户端的地址信息和一个新的文件描述符绑定并通过返回值把文件描述符返回，用过这个文件描述符和客户端通信
如果没接收到信息就阻塞等待

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
sockfd: socket文件描述符
addr：  传出参数，返回链接客户端地址信息，含IP地址和端口号
addrlen:传入传出参数(值-结果)，传入sizeof(addr)大小，函数返回时返回真正接收到地址结构体的大小
返回值：成功返回一个新的socket文件描述符，用于和客户端通信，失败返回-1，设置errno

我们的服务器程序结构是这样子：

while (1) {
    cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
    connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
    n = read(connfd, buf, MAX_LINE);
    ....
    close(connfd);
}

整个是一个while死循环，每次循环处理一个客户端连接。由于cliaddr_len是传入传出参数，每次调用accept()之前应该重新赋初值。

connect

客户端需要调用connect()连接服务器，connect和bind的参数形式一致，区别在于bind的参数是自己的地址，而connect的参数是对方的地址。connect()成功返回0.出错返回-1

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sockfd: socket文件描述符
addr:   传入参数，指定服务器端地址信息，含IP地址和端口号
addrlen: 传入参数，出入sizeof(addr)
返回值:成功返回0，失败返回-1，设置errno

server.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define MAX_LINE 256

int main(void)
{
    int servfd, clifd, n, i;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    char buf[MAX_LINE];
    char clistr[MAX_LINE];

    servfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   //在内核开通道

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); //把地址初始化
    servaddr.sin_family = AF_INET;  //流协议
    servaddr.sin_port = htons(8000);    //端口号
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   //本机的所有ip

    bind(servfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));   //把端口和ip和内核的文件描述符绑定

    listen(servfd, 20); //同一时间三次握手的最大个数
    printf("Accept start :\n");

    while (1) {
        socklen_t cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
        clifd = accept(servfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddrlen);   //得到客户端的信息，如果没有客户端发信息来，就阻塞等待

        printf("Client IP:%s, Port:%d\n",
                inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr.s_addr, clistr, sizeof(clistr)), ntohs(cliaddr.sin_port));   //打印ip和端口

        n = read(clifd, buf, MAX_LINE); //读客户端发来的文件

        for (i = 0; i < n; i++) //把客户端发来的字符加1
            if(buf[i]>97 && buf[i] < 97+25)
                buf[i] += 1;

        write(clifd, buf, n);   //把内容发回用户端

        close(clifd);
    }

    return 0;
}

client.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define SERV_IP "192.168.188.133" //服务器IP
#define MAX_LINE 256

int main(void)
{
    int servfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buff[MAX_LINE];
    int len;

    servfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   //在内核创建通道

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(8000);
    inet_pton(AF_INET, SERV_IP, &servaddr.sin_addr.s_addr);

    connect(servfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)); //连接服务器

    len = read(STDIN_FILENO, buff, sizeof(buff));   //读取控制台输入

    write(servfd, buff, len);   //发给服务器

    len = read(servfd, buff, sizeof(buff)); //读取服务器返回的信息
    write(STDOUT_FILENO, buff, len);    //打印到屏幕上

    close(servfd);
    return 0;
}