Linux学习--socket通信

 

　学习心得

　　

socket通信学习心得

 

　　socket通信的作用是什么？
为了实现不同主机之间的网络通信，Linux引进了socket通信

 

　　socket通信的过程是怎样的？从客户端和主机端两个方面阐述
　　从主机端开始说，必须先利用socket()函数建立一个socket套接字，然后定义一个socketaddr_in 结构体来保存主机端的IP地址和端口地址，再利用bing()函数命令将端口和IP和socket返回的文件描述符绑定。绑定后调用listen()函数创建监听等待队列。
之后在while循环中调用accept函数接受客户端发送来的连接请求，accept会返回一个新的文件描述符(监听套接字)来用于通信，连接成功后就可以调用send和recv来进行网络IO通信了(操作监听套接字)。
通常只会有1个监听套接字和多个连接套接字
再看客户端，同样利用socket()函数返回一个文件描述符，但客户端并不需要去bing()绑定一个端口IP，而是在connect()执行的时候系统就会自动分配，connect会向服务器发送连接请求，当连接成功就可以通过recv/send进行通信了。｛当然可以通过sendto()/recvfrom直接省略connect的过程｝

 

 

 

　　　TCP/IP参考模型

关于TCP/IP协议

TCP/IP协议是一个复制的协议，是由一组专业化协议组成的。这些协议包括IP、TCP、UDP、ARP、ICMP以及其他的一些被称为子协议的协议。

 

各层次在模型中的作用

·　　网络接口层

　　网络接口层是TCP/IP协议软件的最底层，负责将二进制流转换为数据帧，并进行数据帧的发送和接收。数据帧是网络传输的基本单元

　　网络层

 

   网络层负责在主机之间的通信中选择数据报的传输路径，即路由。当网络层接收到传输层的请求后，传输某个具有目的地址信息的分组。该层把分组封装在IP数据报中，填入数据报的首部，使用路由算法来确定是直接交付数据报，还是把它传递给路由器，然后把数据报交给适当的网络接口进行传输。

 

　　网络层还要负责处理传入的数据报，检验其有效性，使用路由算法来决定应该对数据报进行本地处理还是应该转发。

 

　　如果数据报的目的机处于本机所在的网络，该层软件就会除去数据报的首部，再选择适当的运输层协议来处理这个分组。最后，网络层还要根据需要发出和接收ICMP（Internet控制报文协议）差错和控制报文。

 

　　传输层

　　传输层负责提供应用程序之间的通信服务。这种通信又称为端到端通信。传输层要系统地管理信息的流动，还要提供可靠的传输服务，以确保数据到达无差错、无乱序。为了达到这个目的，传输层协议软件要进行协商，让接收方回送确认信息及让发送方重发丢失的分组。传输层协议软件把要传输的数据流划分为分组，把每个分组连同目的地址交给网络层去发送。

　　应用层

应用层是分层模型的最高层，在这个最高层中，用户调用应用程序通过TCP/IP互联网来访问可行的服务。与各个传输层协议交互的应用程序负责接收和发送数据。每个应用程序选择适当的传输服务类型，把数据按照传输层的格式要求封装好向下层传输。

　　综上可知，TCP/IP分层模型每一层负责不同的通信功能，整体联动合作，就可以完成互联网的大部分传输要求。

 

 

　　TCP/IP模型的地址边界

　　TCP/IP分层模型中有两大边界特性：一个是地址边界特性，它将IP逻辑地址与底层网络的硬件地址分开；一个是操作系统边界特性，它将网络应用与协议软件分开，如图8.2所示。

　　TCP/IP分层模型边界特性是指在模型中存在一个地址上的边界，它将底层网络的物理地址与网络层的IP地址分开。该边界出现在网络层与网络接口层之间。

　　

　　网络层和其上的各层均使用IP地址，网络接口层则使用物理地址，即底层网络设备的硬件地址。TCP/IP提供在两种地址之间进行映射的功能。划分地址边界的目的是为了屏蔽底层物理网络的地址细节，以便使互联网软件地址上易于实现和理解。

　　

　　IP层特性

　　IP向上层提供统一的IP报文，使得各种网络帧或报文格式的差异性对高层协议不复存在。IP层是TCP/IP实现异构网互联最关键的一层。

 

　　TCP/IP的重要思想之一就是通过IP将各种底层网络技术统一起来，达到屏蔽底层细节，提供统一虚拟网的目的

 

 

　　TCP/IP的可靠性特性

　　TCP/IP的可靠性体现在传输层协议之一的TCP协议。TCP协议提供面向连接的服务，因为传输层是端到端的，所以TCP/IP的可靠性被称为端到端可靠性

　　综上可知，TCP/IP的特点就是将不同的底层物理网络、拓扑结构隐藏起来，向用户和应用程序提供通用、统一的网络服务。这样，从用户的角度看，整个TCP/IP互联网就是一个统一的整体，它独立于具体的各种物理网络技术，能够向用户提供一个通用的网络服务。

　　TCP/IP网络完全撇开了底层物理网络的特性，是一个高度抽象的概念，正是由于这个原因，其为TCP/IP网络赋予了巨大的灵活性和通用性。

　　

　　TCP/IP协议族　　

　　

 

　　TCP协议

　　TCP向应用层提供可靠的面向对象的数据流传输服务，TCP数据传输实现了从一个应用程序到另一个应用程序的数据传递

　　应用程序通过向TCP层提交数据接发送/收端的地址和端口号而实现应用层的数据通

　　

　　通过IP的源/目的可以惟一地区分网络中两个设备的连接；

　　通过socket的源/目的可以惟一地区分网络中两个应用程序的连接；

 

　　TCP三次握手四次释放

　　

　　第一步（A->B）：主机A向主机B发送一个包含SYN即同步（Synchronize）标志的TCP报文，SYN同步报文会指明客户端使用的端口以及TCP连接的初始序号；

 

　　第二步（B->A）：主机B在收到客户端的SYN报文后，将返回一个SYN+ACK的报文，表示主机B的请求被接受，同时TCP序号被加一，ACK即确认

　　第三步（A->B）：主机A也返回一个确认报文ACK给服务器端，同样TCP序列号被加一，到此一个TCP连接完成

 

　　超时重传机制

　　TCP实体所采用的基本协议是滑动窗口协议。当发送方传送一个数据报时，它将启动计时器。当该数据报到达目的地后，接收方的TCP实体向回发送一个数据报，其中包含有一个确认序号，它意思是希望收到的下一个数据报的顺序号。如果发送方的定时器在确认信息到达之前超时，那么发送方会重发该数据报。

　　TCP报头格式

　　

 　　

 

　　UDP

　　UDP即用户数据报协议，是一种面向无连接的不可靠传输协议，不需要通过3次握手来建立一个连接，同时，一个UDP应用可同时作为应用的客户或服务器方。

由于UDP协议并不需要建立一个明确的连接，因此建立UDP应用要比建立TCP应用简单得多。UDP比TCP协议更为高效，也能更好地解决实时性的问题，如今，包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都使用UDP协议。　　　　

　　　　　　　　　　

 

　　套接字定义

　　

　　在Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的。套接字（socket）是一种特殊的I/O接口，它也是一种文件描述符。socket是一种常用的进程之间通信机制，通过它不仅能实现本地机器上的进程之间的通信，而且通过网络能够在不同机器上的进程之间进行通信。

　　每一个socket都用一个半相关描述{协议、本地地址、本地端口}来表示；一个完整的套接字则用一个相关描述{协议、本地地址、本地端口、远程地址、远程端口}来表示。socket也有一个类似于打开文件的函数调用，该函数返回一个整型的socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过socket来实现的。

 

　　常见的socket有3种类型如下。

（1）流式套接字（SOCK_STREAM）

流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流；它使用TCP协议，从而保证了数据传输的可靠性和顺序性。

（2）数据报套接字（SOCK_DGRAM）

数据报套接字定义了一种无可靠、面向无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议UDP。

（3）原始套接字（SOCK_RAW）

原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP进行直接访问，它功能强大但使用较为不便，主要用于一些协议的开发。

　　

 

　　地址和顺序处理

　　下面首先介绍两个重要的数据类型：sockaddr和sockaddr_in，这两个结构类型都是用来保存socket信息的，如下所示：

　　

　　两个结构体的效果是等效的，通常sockaddr_in更好用

struct sockaddr 
{
        unsigned short sa_family; /*地址族*/
        char sa_data[14]; /*14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号。*/
};
struct sockaddr_in 
{
        short int sa_family; /*地址族*/
        unsigned short int sin_port; /*端口号*/
        struct in_addr sin_addr; /*IP地址*/
        unsigned char sin_zero[8]; /*填充0 以保持与struct sockaddr同样大小*/
};

 

　　sa_family可用参数

　

　　什么是网络字节序 

　　网络字节序（Network Byte Order）是一种规定好的字节序，用于在不同计算机之间传输数据时保证数据的正确性。在网络字节序中，数据的字节序是固定的，即采用大端字节序（Big Endian）。

　　在网络通信中，为了保证数据的正确性，需要将数据转换为网络字节序后再传输

 

　　数据存储优先顺序

　　计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先（称为大端模式）和低位字节优先（称为小端模式，PC机通常采用小端模式）。

　　Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输

　　因此在有些情况下，需要对这两个字节存储优先顺序进行相互转化。这里用到了四个函数：htons()、ntohs()、htonl()和ntohl()。这四个地址分别实现网络字节序和主机字节序的转化，这里的h代表host，n代表network，s代表short，l代表long

 

头文件包含
#include <netinet/in.h>

uint16_t htons(unit16_t host16bit)
uint32_t htonl(unit32_t host32bit)
uint16_t ntohs(unit16_t net16bit)
uint32_t ntohs(unit32_t net32bit)

 

　　IP地址转换

　　用户在表达地址时通常采用点分十进制表示的数值字符串（或者是以冒号分开的十进制IPv6地址），而在通常使用的socket编程中所使用的则是二进制值（例如，用in_addr结构和in6_addr结构分别表示IPv4和IPv6中的网络地址），这就需要将这两个数值进行转换

　　这里在IPv4中用到的函数有inet_aton()、inet_addr()和inet_ntoa()

　　

　　inet_pton()函数是将点分十进制地址字符串转换为二进制地址（例如：将IPv4的地址字符串“192.168.1.123” 转换为4个字节的数据（从低字节起依次为192、168、1、123））

 

int inet_pton(int family, const char *strptr, void *addrptr)
int inet_ntop(int family, void *addrptr, char *strptr, size_t len)

 

 

 

　　

　　inet_ntop()是inet_pton()的反操向作，将二进制地址转换为点分十进制地址字符串

　　

　　

 

　　名字/地址的转化

　　在Linux中有一些函数可以实现主机名和地址的转化，如gethostbyname()、gethostbyaddr()和getaddrinfo()等，它们都可以实现IPv4和IPv6的地址和主机名之间的转化。

 　　其中

　　　gethostbyname()是将主机名转化为IP地址；

　　    gethostbyaddr()则是逆操作，是将IP地址转化为主机名;

　　 另外getaddrinfo()还能实现自动识别IPv4地址和IPv6地址。

 

struct hostent *gethostbyname(const char *hostname)

　　涉及到的地址结构体

struct hostent
{
        char *h_name;            /*正式主机名*/
        char **h_aliases;        /*主机别名*/
        int h_addrtype;        /*地址类型*/
        int h_length;            /*地址字节长度*/
        char **h_addr_list;    /*指向IPv4或IPv6的地址指针数组*/
}

　　调用该函数时可以首先对hostent结构体中的h_addrtype和h_length进行设置，若为IPv4可设置为AF_INET和4；若为IPv6可设置为AF_INET6为6；若不设置则默认为IPv4地址类型

 

 

int getaddrinfo(const char *node, const char *service, const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **result)

在调用之前，首先要对hints服务线索进行设置。

 

struct addrinfo
{
        int ai_flags;                /*AI_PASSIVE, AI_CANONNAME;*/
        int ai_family;            /*地址族*/
        int ai_socktype;            /*socket类型*/
         int ai_protocol;            /*协议类型*/
        size_t ai_addrlen;        /*地址字节长度*/
        char *ai_canonname;        /*主机名*/
        struct sockaddr *ai_addr;    /*socket结构体*/
        struct addrinfo *ai_next;    /*下一个指针链表*/
}    

　　addrinfo常见选项

#include <netdb.h>

 

 

1.1.1 套接字编程

　　socket编程的基本函数有socket()、bind()、listen()、accept()、send()、sendto()、recv()以及recvfrom()等，其中根据客户端还是服务端，或者根据使用TCP协议还是UDP协议，这些函数的调用流程都有所区别

　　

　　各个函数的作用以及工作流程

　　

 

 

 

　　　　　　　　　　　　　　socket()函数语法要点

#include <sys/socket.h>
int socket(int family, int type, int protocol)

 

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen)

 

 

 

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog)

 

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)

 accept函数是一个会阻塞的函数，在没有连接请求到来时会一直阻塞在此处，当有连接请求时阻塞解除并返回一个文件描述符，通过该文件描述符就可以和其它主机通信了。

 

#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen)

 

 

#include <sys/socket.h>
int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags)

 

 

#include <sys/socket.h>
int recv(int sockfd, void *buf,int len, unsigned int flags)

 

该函数也是一个会阻塞的函数，

当连接建立没有断开时，接收端没有收到数据时recv会阻塞直到有数据接入 。

当连接断开了以后，没有数据时recv则不会阻塞而是直接返回0

 

#include <sys/socket.h>
int sendto(int sockfd, const void *msg,int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *to, int tolen)

 

#include <sys/socket.h>
int recvfrom(int sockfd,void *buf, int len, unsigned int flags, struct sockaddr *from, int *fromlen)

 

　　异步IO配合网络通信编程

　　内核通过使用异步I/O，在某一个进程需要处理的事件发生（例如，接收到新的连接请求）时，向该进程发送一个SIGIO信号。这样，应用程序不需要不停地等待着某些事件的发生，而可以往下运行，以完成其它的工作。只有收到从内核发来的SIGIO信号时，去处理它（例如，读取数据）就可以。

 

 

 

　　使用例

服务器端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {

//1. 创建监听的套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

if (lfd == -1) { //监听套接字创建失败
perror("socket");
return -1;
}

//2. 绑定本地的 IP : Port

/**
* 初始化 saddr 绑定 IP 和 Port 信息
*/
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_family = AF_INET; //IPv4
saddr.sin_port = htons(9999); //Port 需要转换成大端序
saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)(&saddr), sizeof(saddr));

if (ret == -1) { //绑定失败
perror("bind");
return -1;
}

//3. 设置监听
ret = listen(lfd, 128);

if (ret == -1) { //监听失败
perror("listen");
return -1;
}

//4. 阻塞并等待客户端的连接
struct sockaddr_in caddr;
int caddr_len = sizeof(caddr);

int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)(&caddr), &caddr_len);

if (cfd == -1) { //连接失败
perror("accept");
return -1;
}

/**
*连接建立成功,打印客户端的 IP 和 Port 信息
注意：需要将信息由大端序 转为 小端序
*/

char ip[32];

printf("客户端的IP : %s , 端口Port : %d\n", inet_ntop(AF_INET, &caddr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)), ntohs(caddr.sin_port));

//5. 开始进行通信

char buf[1024];

while (1) {
//接受数据
int len = recv(cfd, buf, sizeof(buf), 0);

if (len > 0) { //还有数据
printf("Client say : %s\n", buf);
send(cfd, buf, sizeof(buf), 0);
}
else if (len == 0) { //说明客户端已经断开了连接
printf("客户端已经断开了连接...!\n");
break;
}
else { //len == -1 说明读取数据失败
perror("recv");
break;
}
}

//6.关闭文件描述符

close(lfd);
close(cfd);

return 0;
}

 

客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {

//1. 创建通信的套接字
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

if (fd == -1) { //监听套接字创建失败
perror("socket");
return -1;
}

//2. 连接服务器
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_family = AF_INET; //IPv4
saddr.sin_port = htons(9999); //Port 需要转换成大端序

inet_pton(AF_INET, "10.0.8.14", &saddr.sin_addr.s_addr);

int ret = connect(fd, (struct sockaddr*)(&saddr), sizeof(saddr));

if (ret == -1) { //连接失败
perror("connect");
return -1;
}

//3. 开始进行通信
int num = 0;

while (1) {
char buf[1024];
//发送数据
sprintf(buf, "hello socket communication ... %d \n", num++);
send(fd, buf, strlen(buf) + 1, 0);

//接收数据
memset(buf, 0, sizeof buf);
int len = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);

if (len > 0) { //还有数据
printf("Server say : %s\n", buf);
}
else if (len == 0) { //说明服务端已经断开了连接
printf("服务端已经断开了连接...!\n");
break;
}
else { //len == -1 说明读取数据失败
perror("recv");
break;
}

sleep(1); // 每隔 1s 再发一次数据
}

//6.关闭文件描述符

close(fd);

return 0;
}

利用select实现多路IO复用

客户端

服务器端