1 前序知识
1.1 局域网和广域网
局域网：将一定区域内的设备（计算机、外部设备、数据库等）连接起来形成的计算机通信的私有网络
广域网：又称为外网和公网。连接不同地区局域网或城域网的远程公用网络
1.2 IP地址
分为ipv4和ipv6地址
1.2.1 IPv4
- 使用一个32位的整型数表示一个IP地址，4字节，int型
- 使用点分十进制表示IP地址：
192.168.1.1
- 分成了4份，每份1字节(8bit)，最大值为255
因此，一共可用IP地址 232 个
1.2.2 IPv6
- 使用128位表示一个IP地址，16字节
- 使用字符串描述IP：
2001:0db8:3c4d:0015:0000:0000:1a2f:1a2b
- 分成了8份，每份2字节，每一部分都按16进制表示
共2128个可用IP地址
1.3 端口
端口的作用是定位主机上的一个进程，进程可以通过这个端口进行网络通信
端口是一个短整型无符号数usigned short，16位有效数，范围0~65535
注意：
- 并不是所有进程都需要绑定端口，如果某个进程不需要网络通信，就无需绑定
- 一个端口只能给一个进程使用，不能多进程公用
1.4 网络分层模型
ISO/OSI网络模型-哔哩哔哩讲解
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数据流通过程：
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- 物理层：数据比特流的传输
- 数据链路层：负责将数据分帧和封装成帧，并进行差错控制和流量控制，提供介质访问和链路管理。
- 网络层：IP选址及路由选择。
- 传输层：建立端到端的连接
- 会话层：建立、管理和维护表示层实体的会话。
- 表示层：数据格式转化，对数据进行加密。
- 应用层：为应用程序提供服务。
1.5 三次握手四次挥手
TCP协议是一个可靠的、面向连接的流式传输协议，所谓的面向连接就是三次握手
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SYN：连接请求/接收 报文段seq：发送的第一个字节的序号ACK：确认报文段ack：确认号。希望收到的下一个数据的第一个字节的序号
1.5.1 为什么是三次握手？
三次握手的作用：确认双方连接正常。
- 第一次握手：Client 什么都不能确认；Server
确认了对方发送正常，自己接收正常
- 第二次握手：Client
确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常；Server
确认了：对方发送正常，自己接收正常
- 第三次握手：Client
确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常；Server
确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常
如果不采用三次握手，客户端发送连接请求，但是网络产生了延迟，此时客户端可能会认为连接未能建立成功，又重新发起了新的连接请求。服务器接收到客户端发来的两个连接请求都给予了回应确认，就会建立两个相互独立的连接。导致资源浪费和数据混乱。
1.5.2 为什么是四次挥手？
四次挥手的作用：确保双方都能够安全地关闭TCP连接
1、客户端执行主动关闭，发送
FIN的包（FIN），表示客户端的数据发送完毕。
2、服务端执行被动关闭，发送确认 ACK 包。
3、服务端给客户端发送 FIN，告诉客户端我也要关闭。
4、客户端确认服务端的ACK的包，确认服务端关闭。
1.5.3 2MSL的作用？
MSL是报文的最大生存时间（单向数据传输最大有效时间，根据跳数设定值）
TIME_WAIT状态也就是2MSL等待状态。
客户端发出的第四次挥手ACK报文，最大有效时间为MSL，也就是说必须在MSL的时间内达到服务端。超过这个时间服务端就会重传第三次挥手的FIN报文，相同的必须在MSL时间内到达。
若出现ACK报文丢失，客户端在发出第四次挥手ACK报文和接收到重传的第三次挥手FIN报文的时间间隔就为2MSL。
所以等待2MSL是确保连接双方关闭完成。
2 网络编程
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2.1 创建socket
1
| int socket(int domain, int type, int protocal);
|
- domain 通信的协议家族
- PF_INET：ipv4
- PF_INET6：ipv6
- PF_LOCAL：本地通信的协议族
- PF_PACKET：内核底层协议族
- PF_IPX：IPX Novell协议族
- type 数据传输的类型
- SOCK_STREAM：面向连接的socket
- SOCK_DGRAM：无连接的socket
- protocal 最终使用的协议
- IPPROTO_TCP
- IPPROTO_UDP
- 可以填0，编译器会自动识别类型
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| socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)
socket(PF_INET, SOCK_DEGRAM, 0);
socket(PF_INET, SOCK_DEGRAM, IPPROTO_UDP);
|
返回值：
- 成功：返回对应的sockfd文件描述符
- 失败：返回-1
2.2 主机字节序和网络字节序
大端序：低位字节存放在高位，高位字节存放在低位
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| 0x001 0x12
0x002 0x34
0x003 0x56
存放123456
|
小端序：低位字节存放在低位，高位字节存放在高位
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| 0x001 0x56
0x002 0x34
0x003 0x12
|
小端序更便于CPU进行处理，大端序便于人类查看
2.2.0 相关函数
不同的主机可能是采用不同的字节序，因此出现了网络字节序，本质上是大端序
2.2.0.1 htons/htonl
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| #include <arpa/inet.h>
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
|
- h：host 主机
- to：转换
- n：network 网络
- s：short（2字节，16位整数）
- l：long（4字节，32位整数）
长整型用于转换IP地址，短整型用于转换端口号，但平时IP地址都是用点分十进制形式表示，因此，需要使用其他函数将点分十进制转换为整数型
2.2.0.2 inet_pton 和 inet_ntop
p：people read人类可读
1
| int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
|
- af：协议族，AF_INET或AF_INET6
- src：点分十进制的地址
- dst：接收转换后的数据
返回值：
1
| char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, size_t len);
|
- af：AF_INET或AF_INET6
- src：指向网络字节序的指针
- dst：指向转换后的字符串指针
- len：目标大小，防止溢出
返回值：
IPv4地址采用4字节的整数存放，端口号用2字节的整数存放（0~65536）
2.2.1 结构体
2.2.1.1 sockaddr 结构体
存放协议族、端口和地址信息，客户端connect()和服务端bind()需要此结构体
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| struct sockaddr{
unsigned short sa_family;
unsigned char sa_data[14];
}
|
2.2.1.2 sockaddr_in 结构体
sockaddr结构体操作不方便，所以出现了sockaddr_in
两者大小相等，因此可以进行强制类型转换
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| struct sockaddr_in{
unsigned short sin_family;
unsigned short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
unsigned char sin_zero[8];
}
struct in_addr{
unsigned int s_addr;
}
|
2.3 bind函数
1
| int bind(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
|
- sockfd：服务端监听文件描述符
- addr：包含ip地址和端口号的sockaddr结构体
- addrlen：第二个参数（结构体）的长度（sizeof）
2.4 listen函数
1
| int listen(int sockfd, int backlog);
|
- sockfd：服务端文件描述符
- backlog：最大连接数目
2.5 connect函数
1
| int connect(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
|
- sockfd：客户端通信文件描述符
- addr：包含ip地址和端口号的sockaddr结构体
- addrlen：第二个参数（结构体）的长度（sizeof）
2.6 accept函数
1
| int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);
|
- sockfd：服务端监听文件描述符
- addr：传出参数，记录连接成功的客户端信息地址和端口号
- addrlen：第二个参数的长度
返回值：
2.7 read、write函数
1
2
| ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
|
网络I/O操作不止是read和write
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| read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()
|
声明如下
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| ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
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, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
|
2.8 close函数
2.9 实例
2.9.1 客户端
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| #include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/wait.h>
#define SERVER_PORT 8888
int main()
{
int serverSocket;
struct sockaddr_in serverAddr;
char sendbuf[200];
char recvbuf[200];
int iDataNum;
if((serverSocket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP)) < 0)
{
perror("socket");
return 1;
}
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
if(connect(serverSocket, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0)
{
perror("connect");
return 1;
}
printf("连接到主机...\n");
while(1)
{
printf("发送消息:");
scanf("%s", sendbuf);
printf("\n");
write(serverSocket, sendbuf, strlen(sendbuf));
if(strcmp(sendbuf, "quit") == 0) break;
printf("读取消息:");
recvbuf[0] = '\0';
iDataNum = read(serverSocket, recvbuf, 200);
recvbuf[iDataNum] = '\0';
printf("%s\n", recvbuf);
}
close(serverSocket);
return 0;
}
|
2.9.2 服务端
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126
| #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <arpa/inet.h>
#define SERVER_PORT 8888
int main()
{
int serverSocket;
struct sockaddr_in server_addr;
struct sockaddr_in clientAddr;
int addr_len = sizeof(clientAddr);
int clientSocket;
char buffer[200];
int iDataNum;
if((serverSocket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP)) < 0)
{
perror("socket");
return 1;
}
memset(&server_addr,0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
if(bind(serverSocket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0)
{
perror("connect");
return 1;
}
if(listen(serverSocket, 5) < 0)
{
perror("listen");
return 1;
}
printf("监听端口: %d\n", SERVER_PORT);
clientSocket = accept(serverSocket, (struct sockaddr*)&clientAddr, (socklen_t*)&addr_len);
if(clientSocket < 0)
{
perror("accept");
}
printf("等待消息...\n");
printf("IP is %s\n", inet_ntoa(clientAddr.sin_addr));
printf("Port is %d\n", htons(clientAddr.sin_port));
while(1)
{
buffer[0] = '\0';
iDataNum = read(clientSocket, buffer, 1024);
if(iDataNum < 0)
{
continue;
}
buffer[iDataNum] = '\0';
if(strcmp(buffer, "quit") == 0) break;
printf("收到消息: %s\n", buffer);
printf("发送消息:");
scanf("%s", buffer);
write(clientSocket, buffer, strlen(buffer));
if(strcmp(buffer, "quit") == 0) break;
}
close(clientSocket);
close(serverSocket);
return 0;
}
|