ch13学习笔记(Socket)

知识点归纳

TCP/IP协议

TCP/IP 是互联网的基础。TCP代表传输控制协议。IP代表互联网协议。目前有两个版本的IP,即IPv4和IPv6。IPv4使用32位地址，IPv6则使用128位地址。

本节围绕IPv4进行讨论，它仍然是目前使用最多的IP版本。

TCP/IP的组织结构分为几个层级，通常称为TCP/IP堆栈。

顶层是使用TCP/IP的应用程序。

用于登录到远程主机的ssh、用于交换电子邮件的邮件、用于Web页面的http等应用程序需要可靠的数据传输。通常，这类应用程序在传输层使用TCP。

另一方面有些应用程序，例如用于查询其他主机的ping命令，则不需要可靠性。这类应用程序可以在传输层使用UDP来提高效率。

主机:主机是支持TCP/IP协议的计算机或设备。每个主机由一个32位的IP地址来标识。

路由器是接收和转发数据包的特殊IP主机。如果有的话， 一个IP数据包可能会经过许多路由器，或者跳跃到达某个目的地。

UDP

UDP是用户数据报协议。

TCP

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的协议。

应用程序=(主机IP,协议,端口号)

TCP/IP网络中的数据流

应用程序层的数据被传递到传输层，传输层给数据添加一个TCP或UDP报头来标识使用的传输协议。合并后的数据被传递到IP网络层，添加一个包含IP地址的IP报头来标识发送和接收主机。然后，合并后的数据再被传递到网络链路层，网络链路层将数据分成多个帧，并添加发送和接收网络的地址，用于在物理网络之间传输：IP地址到网络地址的映射由地址解析协议(ARP)执行。

在接收端，数据编码过程是相反的。 每一层通过剥离数据头来解包接收到的数据，重新组装数据并将数据传递到上层。发送主机上的应用程序原始数据最终会被传递到接收主机上的相应应用程序。

问题与解决思路

原始套接字的作用是什么？

原始套接字，指在传输层下面使用的套接字。流式套接字和数据报套接字这两种套接字工作在传输层，主要为应用层的应用程序提供服务，并且在接收和发送时只能操作数据部分，而不能对IP首部或TCP和UDP首部进行操作，通常把这两种套接字称为标准套接字。

但是，如果我们开发的是更底层的应用，比如发送一个自定义的IP包、UDP包、TCP包或ICMP包，捕获所有经过本机网卡的数据包，伪装本机的IP，想要操作IP首部或传输层协议首部，等等，这些功能对于这两种套接字就无能为力了。这些功能需要使用另一种套接字来实现，这种套接字叫作原始套接字，功能更强大，更底层。

原始套接字可以在链路层收发数据帧。

原始套接字可以自动组装数据包（伪装本地IP和本地MAC），可以接收本机网卡上所有的数据帧（数据包）。另外，必须在管理员权限下才能使用原始套接字。

原始套接字直接置“根”于操作系统网络核心（Network Core），而SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM则“悬浮”于TCP和UDP协议的外围，如下图所示：

流式套接字只能收发TCP协议的数据，数据报套接字只能收发UDP协议的数据，原始套接字可以收发没经过内核协议栈的数据包。

实践内容

udpserver.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define SERVER_PORT 9999
#define BUFF_LEN 1024

void handle_udp_msg(int fd)
{
    char buf[BUFF_LEN];  //接收缓冲区，1024字节
    socklen_t len;
    int count;
    struct sockaddr_in clent_addr;  //clent_addr用于记录发送方的地址信息
    while(1)
    {
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        len = sizeof(clent_addr);
        count = recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len);  //recvfrom是拥塞函数，没有数据就一直拥塞
        if(count == -1)
        {
            printf("recieve data fail!\n");
            return;
        }
        printf("client:%s\n",buf);  //打印client发过来的信息
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count);  //回复client
        printf("server:%s\n",buf);  //打印自己发送的信息给
        sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len);  //发送信息给client，注意使用了clent_addr结构体指针

    }
}


/*
    server:
            socket-->bind-->recvfrom-->sendto-->close
*/

int main(int argc, char* argv[])
{
    int server_fd, ret;
    struct sockaddr_in ser_addr;

    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //AF_INET:IPV4;SOCK_DGRAM:UDP
    if(server_fd < 0)
    {
        printf("create socket fail!\n");
        return -1;
    }

    memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IP地址，需要进行网络序转换，INADDR_ANY：本地地址
    ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //端口号，需要网络序转换

    ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr));
    if(ret < 0)
    {
        printf("socket bind fail!\n");
        return -1;
    }

    handle_udp_msg(server_fd);   //处理接收到的数据

    close(server_fd);
    return 0;
}

udpclient.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define SERVER_PORT 9999
#define BUFF_LEN 512
#define SERVER_IP "127.0.0.1"


void udp_msg_sender(int fd, struct sockaddr* dst)
{

    socklen_t len;
    struct sockaddr_in src;
    while(1)
    {
        char buf[BUFF_LEN] = "TEST UDP MSG!\n";
        len = sizeof(*dst);
        printf("client:%s\n",buf);  //打印自己发送的信息
        sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len);
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len);  //接收来自server的信息
        printf("server:%s\n",buf);
        sleep(1);  //一秒发送一次消息
    }
}

/*
    client:
            socket-->sendto-->revcfrom-->close
*/

int main(int argc, char* argv[])
{
    int client_fd;
    struct sockaddr_in ser_addr;
    
client_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(client_fd < 0)
    {
        printf("create socket fail!\n");
        return -1;
    }

    memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    //ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //注意网络序转换
    ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //注意网络序转换

    udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);

    close(client_fd);

    return 0;
}

tcpserver.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv)
{
    int    listenfd, connfd;
    struct sockaddr_in     servaddr;
    char    buff[4096];
    int     n;

    if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){
    printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(6666);

    if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
    printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    if( listen(listenfd, 10) == -1){
    printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    printf("======waiting for client's request======\n");
    while(1){
    if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){
        printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);
        continue;
    }
    n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);
    buff[n] = '\0';
    printf("recv msg from client: %s\n", buff);
    close(connfd);
    }

    close(listenfd);
}

tcpclient.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv)
{
    int    sockfd, n;
    char    recvline[4096], sendline[4096];
    struct sockaddr_in    servaddr;

    if( argc != 2){
    printf("usage: ./client <ipaddress>\n");
    exit(0);
    }

    if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){
    printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(6666);
    if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){
    printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);
    exit(0);
    }

    if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){
    printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    printf("send msg to server: \n");
    fgets(sendline, 4096, stdin);
    if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)
    {
    printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
    exit(0);
    }

    close(sockfd);
    exit(0);
}