Unix/Linux系统编程自学笔记-第十三章:TCP/IP和网络编程

目录

TCP/IP和网络编程

  1. 本章的主要内容是TCP/IP和网络编程，主要有两部分，一是TCP/IP协议及其应用，还有就是Web和CGI编程。
  2. TCP/IP协议包括TCP/IP栈、IP地址、主机名、DNS、IP数据包和路由器，基于TCP/IP网络中的TCP和UDP协议的套接字服务器编程。
  3. Web和CGI编程主要是HTTP编程模型、Web页面和Web浏览器，基于Linux的HTTPD服务器所支持的用户Web界面、PHP服务以及CGI建立的动态Web页面。

TCP/IP协议

  1. TCP/IP协议是互联网的基础，其中TCP是传输控制协议，IP是互联网协议。目前主流的IP是IPv4和IPv6，分别是32位地址和128位地址。

  2. IP

    • IP协议是在IP主机之间收发数据包时所用的协议，IP协议是默认无差错传输的，所以它并不可靠。

    • IP数据包是IP协议下的传输基本单位，它由IP头、发送方地址、接收方地址以及数据组成。每个IP数据包大小不超过64KB，IP头包含了有关数据包的信息，如数据包长、使用协议等，一个IP包头的格式基本如下：

路由器、UDP和TCP

  1. 路由器

    路由器(router)是不同IP主机间通信的中继设备，数据包经过路由器使用更加合理的路径传输到目的地址，路由器之间也可互为中继。

  2. UDP

    ​ 用户数据报协议，即UDP，在IP上运行，用来收发数据报。与IP类似，UDP也是不保障传输的可靠性的，UDP的一大特点就是它的快速高效，一些不追求传输稳定，但是要求速度的操作就需要UDP的参与，比如发送邮件的UDPS和ping操作。

    ​ ping主机或IP地址就是通过向目标主机发送带时间戳的UDP包的应用程序，目标主机接受这个UDP包后就将它发回给发送者，发送者通过计算和显示往返传输时间。

  3. TCP

    ​ 传输控制协议，即TCP，是一种面向连接的协议，用于收发数据流。TCP可以在IP上运行，但TCP保证了数据的可靠传输。TCP协议多用于电话连接。

  4. 端口编号

    ​ 不同主机上的应用程序（进程）可以同时使用TCP协议和UDP协议，每个应用程序都有由三个部分组成的唯一标识。

    应用标识 = (主机IP , 协议 , 端口号)

    ​ 协议是TCP或UDP，端口号是分配给应用程序的唯一无符号短整数。UDP和TCP都必须有一个唯一的指定端口号。下图是传输层中使用TCP的一些程序及其默认端口号。

网络编程与套接字

  1. 网络编程

    ​ 网络编程需要一些网络部件，在Ubuntu Linux系统中就可能需要适用于Http和CGI编程的Apache服务器。

    大多数的网络编程任务都是基于服务器-客户端的模型的。在这个模型中，客户端首先从服务器主机上运行服务进程。然后在客户端主机上运行客户端。

    ​ 在UDP中，服务器等待来自客户端的数据报，处理数据报并生成对客户机的响应。

    ​ 在TCP中，服务器先建立一个于=与客户端的虚拟电路（虚电路），再在服务器和客户端进行数据报传输。

  2. 套接字编程

    ​ 在网络编程中，TCP/IP的用户界面是通过一系列C语言库函数和系统调用来实现的，这些函数和系统调用统称为套接字API。为了使用套接字API,我们需要套接字地址结构，它用于标识服务器和客户机。netdb.h和sys/socket.h中有套接字地址结构的定义。

    套接字地址数据结构：

    struct socketddr_in {
sa_family_t sin_family;  //TCP/IP中的sin_family始终是AF_INET
in_port_t sin_port;	     //按网络字节顺序排列的端口号
struct in_addr sin_addr; //按网络字节顺序排列的主机IP地址
};
struct in_addr {
uint32_t s_addr;	     //按网络字节顺序排列的主机IP地址
}

    ​ 服务器需要创建一个套接字，并将其与包含服务器IP地址和端口号的套接字地址绑定。它（指服务器套接字）可以使用一个固定端口号，或是操作系统内核所选择的端口号（当sin_port为0时）。

    ​ 而为了与服务器通信，客户端也需要一个套接字。UDP套接字可以直接绑定到服务器地址，如果一个客户端套接字没有绑定到任何特定服务器，它就必须在后续的sendto()/recvfrom()调用中提供一个包含服务器IP和端口号的套接字地址。

  3. socket系统调用

    1. int套接字

      ​ 基本格式是int (int 域，int 类型，int 协议)，实例：

      用于收发UDP数据报的套接字:

      int udp_sock = socket(AF_INET , SOCKET_DGRAM , 0);

      用来收发数据流的面向连接的TCP套接字:

      int tcp_sock = socket(AF_INET , SOCKET_STREAM , 0);

    2. int bind()

      ​ 基本格式是int bind(int sockfd , struct sockaddr *addr , socklen_t addrlen);

      ​ bind()系统调用将addr指定的地址分配给文件描述符sockfd所引向的套接字，addrlen指定addr所指向地址结构的大小（以字节为单位）。

      对于用来联系其他UDP服务器主机的UDP套接字，必须绑定客户机地址，允许服务器发出应答。

      ​ 对于用于接受客户端连接的TCP套接字，必须先将它绑定到服务器主机地址。

    3. UDP套接字

      ​ UDP套接字使用scndto()/recvfrom()来发送/接收数据报。格式如下：

      ssize_t sendto(int sockfd , const void *buf , size_t len , int flags , const struct sockaddr *dest_addr , socklen_t addrlen);

ssize_t recvfrom(int sockfd , void *buf , size_t len , itn flags , struct sockaddr *src_addr , socklen_t *addr);

      ​ 其中sento()将缓冲区中的len字节数据发送到dest_addr标识的目标主机,该目标主机包含主机IP和端口号。recvfrom()从客户主机接收数据。除了数据以外，它还用客户机的IP和端口号填充src_addr，从而允许服务器将应答发送回客户机。

    4. TCP套接字

      ​ 建立起与服务器的连接后，TCP服务器使用listen()和accept()来接受来自客户机的连接:

      int listen(int sockfd , int backlog);

      ​ listen()将sockfd引用的套接字标记为将用于接收连入连接的套接字。backlog参数定义了等待连接的最大队列长度。

      int accept(int sockfd , struct sockaddr *addr , socklen_t *adderlen);

      ​ accept()与基于连接的套接字一起使用。它提取等待队列上的第一个连接请求用来监听套接字sockfd，创建一个新的套接字，并返回一个引用该套接字的新文件描述符，与客户机主机连接。在执行accept()时，TCP服务器阻塞，直到客户机通过connect()建立连接。

      connect()的基本格式:

      int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen t addrlen);

      ​ connect()系统调用将文件描述符sockfd引用的套接字连接到addr指定的地址，addrlen参数指定addr的大小。addr中的地址格式由套接字sockfd的地址空间决定。

      ​ 若套接字sockfd是UDP类型，addr就是发送数据报的默认地址，同时也是接受数据报的唯一地址。

      ​ 若为TCP类型，connect()就会尝试连接到绑定到addr指定地址的套接字。

    5. send()/read()以及recv()/write()

      ​ 建立连接后，两个TCP主机都可以使用send()/write()发送数据，并使用recv()/read()接受数据。它们的区别在于send()和recv()中的flag参数的不同，通常情况下的flag都被设为0。

      （那么什么情况下会设置为其他数呢？）

      四种调用的基本格式:

      ssize_t send(int sockfd , const void *buf , size_t len , int flags);
ssize_t write(int sockfd , const void *buf , size_t len);

ssize_t recv(int socket , void *buf , size_t len , int flags);
ssize_t read(int sockfd , void *buf , size_t len);

    实践

    1. 利用UDP网络通信实现客户端和服务器的通信。

    2. 代码

      1、服务器代码

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

//创建UDP实现服务器和客户端的通信

int main()
{
//创建socket连接
	int serfd=0;
	serfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
	if(serfd<0)
	{
		perror("socke failed");
		return -1;
	}
	printf("socket success\n");
//绑定IP地址和端口信息
	int ret=0;
	struct sockaddr_in seraddr={0};
	seraddr.sin_family=AF_INET;
	seraddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
	seraddr.sin_port=htons(8888);
	
	ret=bind(serfd,(struct sockaddr *)&seraddr,sizeof(seraddr));
	if(ret<0)
	{
		perror("bind failed");
		close(serfd);
		return -1;
	}
	printf("bind success\n");
//接收发送自客户端的消息
while(1)
{
	int addrlen=0;
	char buf[1024]={0};
	struct sockaddr_in clientaddr={0};
	addrlen=sizeof(clientaddr);
	ret=recvfrom(serfd,buf,sizeof(buf),0,(struct sockaddr *)&clientaddr,&addrlen);
	if(ret<0)
	{
		perror("recvfrom failed");
		close(serfd);
		return -1;
	}
	printf("IP=%s,port=%u\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr),ntohs(clientaddr.sin_port));
	printf("recvfrom success\n");
	printf("receive:  %s\n",buf);
//向客户端发送消息	
	memset(buf,0,sizeof(buf));
	gets(buf);
	ret=sendto(serfd,buf,strlen(buf),0,(struct sockaddr *)&clientaddr,addrlen);
	if(ret<0)
	{
		perror("sendto failed");
		close(serfd);
		return -1;
	}
	printf("sendto success\n");
}
	close(serfd);
	return 0;
}

      2、客户端代码

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

//创建UDP实现服务器和客户端的通信
//创建socket连接
int main()
{
//创建socket连接
	int clifd=0;
	clifd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
	if(clifd<0)
	{
		perror("socke failed");
		return -1;
	}
	printf("socket success\n");
//向服务器发送消息
while(1)
{
	int tolen=0;
	int ret=0;
	char buf[1024]={0};
	gets(buf);
	
	struct sockaddr_in seraddr={0};
	seraddr.sin_family=AF_INET;
	seraddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.59.131");
	seraddr.sin_port=htons(8888);
	tolen=sizeof(seraddr);
	ret=sendto(clifd,buf,strlen(buf),0,(struct sockaddr *)&seraddr,tolen);
	if(ret<0)
	{
		perror("sendto failed");
		close(clifd);
		return -1;
	}
	printf("sendto success\n");
//接收发送自服务器的消息	
	ret=recvfrom(clifd,buf,sizeof(buf),0,NULL,NULL);
	if(ret<0)
	{
		perror("recvfrom failed");
		close(clifd);
		return -1;
	}
	printf("recvfrom success\n");
	printf("receive:  %s\n",buf);
}
	close(clifd);
		
	return 0;
}

    3. 截图

posted @ 2021-11-28 22:37  20191314汇仁  阅读(71)  评论(0)  编辑  收藏  举报