linux网络编程

一、socket、tcp、udp、http的认识

1. TCP/IP协议族
   TCP/IP是个协议族，可分为三个层次：网络层、传输层和应用层。
   网络层有IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议。
   传输层中有TCP协议与UDP协议。
   应用层有FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议。

2. HTTP协议
   HTTP协议是建立在请求/响应模型上的，但其最终还是基于TCP的。不过，目前，有人正在研究基于TCP+UDP混合的HTTP协议。

3. Socket
   socket是对TCP/IP协议的封装，Socket本身并不是协议，而是一个调用接口（API）。

二、Socket基本操作

1、socket()函数
2、bind()函数
3、listen()、connect()函数
4、accept()函数
5、read()、write()函数等
6、close()函数

1.socket()函数

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

• domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。

• type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。

• protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。

2.bind()函数

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

• addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同.
  ipv4对应的是：

  struct sockaddr_in {    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */};      /* Internet address. */ struct in_addr {    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */};ipv6对应的是： struct sockaddr_in6 {     sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */     in_port_t       sin6_port;     /* port number */     uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */     struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */     uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ };struct in6_addr {     unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ };Unix域对应的是： #define UNIX_PATH_MAX    108struct sockaddr_un {     sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */     char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ };

  注：sockaddr和sockaddr_in的区别

      struct sockaddr {        unsigned short    sa_family;    // 2 bytes address family, AF_xxx        char              sa_data[14];     // 14 bytes of protocol address    };    在各种系统调用或者函数中，只要和网络地址打交道，就得用到这两个结构体。      网络地址主要包含三个方面的属性：      1. 地址类型： ipv4还是ipv6      2. ip地址    3. 端口    sockaddr和sockaddr\_in包含的数据都是一样的，但他们在使用上有区别：    程序员不应操作sockaddr，sockaddr是给操作系统用的    程序员应使用sockaddr_in来表示地址，sockaddr_in区分了地址和端口，使用更方便。

• addrlen：对应的是地址的长度。

3.listen(),connect()函数

* int listen(int sockfd, int backlog);*
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。
• connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。

4.accept()函数

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

• accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。

5.read(),write()等函数

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：

   #include <unistd.h>   ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);   ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);   #include <sys/types.h>   #include <sys/socket.h>   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);

6.close函数

    int close(int fd);

三、TCP、UDP协议流程图

从上面的流程图比较我们可以很明显的看出UDP没有三次握手过程。简单点说。UDP处理的细节比TCP少。UDP不能保证消息被传送到（它也报告消息没有传送到）目的地。UDP也不保证数据包的传送顺序。UDP把数据发出去后只能希望它能够抵达目的地。

1. UDP通信不关心目的主机是否可达，目的主机是否能接收该数据包，以及数据包是否完整无误的发送给客户端。
2. UDP 不能直接使用read/write来处理数据，因为UDP无法知晓目的主机的ip和端口号，需要使用sendto或sendmsg,调用时已参数的方式列出。
3. 单播：点对点传送，TCP和UDP都可以实现
4. 广播 : 处于同一个广播域（局域网）的所有主机都将搜到消息，广播只能由UDP完成。
5. 组播：消息会从主机发到加入到同一组播组的一系列主机，组播也只能由UDP完成。

四、TCP示例代码

服务器端示例：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 8000 int main(void) {        char buf[MAXLINE];        int listenfd = 0;        listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);        struct sockaddr_in servaddr = {0};        servaddr.sin_family = AF_INET;        servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);        bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));        listen(listenfd, 20);        printf("Accepting connections ...\n");        while (1)         {            struct sockaddr_in cliaddr = {0};            socklen_t cliaddr_len = sizeof(cliaddr);            int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);            char str[INET_ADDRSTRLEN];            printf("connected from %s at PORT %d\n",                    inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),                    ntohs(cliaddr.sin_port));            while(true)            {                int count = read(connfd, buf, MAXLINE);                if (count == 0)                    break;                write(connfd, buf, count);            }            close(connfd);            printf("closed from %s at PORT %d\n",                    inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),                    ntohs(cliaddr.sin_port));        }}

PS：这里需要注意的一下的是sock函数的第二个参数SOCK_STREAM，它表示是一个TCP连接，后面我们会介绍通过传入SOCK_DGRAM打开udp连接。

客户端示例：

#include <stdio.h>#include <arpa/inet.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 8000#define MESSAGE "hello world" int main(int argc, char *argv[]) {        char buf[MAXLINE];        int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);        struct sockaddr_in servaddr = {0};        servaddr.sin_family = AF_INET;        inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);        if (0 != connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)))        {            printf("connected failed");            return 1;        }        write(sockfd, MESSAGE, sizeof(MESSAGE));        int count = read(sockfd, buf, MAXLINE);        printf("Response from server: %s\n",buf);        close(sockfd);        return 0; }

五、UDP示例代码

服务器端（server.c）：

#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include<pthread.h>#include <netinet/in.h>#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <arpa/inet.h>int main(int argc, char **argv){    if (argc != 2)    {        printf("Usage: %s port\n", argv[0]);        exit(1);    }    printf("Welcome! This is a UDP server, I can only received message from client and reply with same message\n");    struct sockaddr_in addr;    addr.sin_family = AF_INET;    addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    int sock;    if ( (sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)    {        perror("socket");        exit(1);    }    if (bind(sock, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0)    {        perror("bind");        exit(1);    }    char buff[512];    struct sockaddr_in clientAddr;    int n;    int len = sizeof(clientAddr);    while (1)    {        n = recvfrom(sock, buff, 511, 0, (struct sockaddr*)&clientAddr, &len);        if (n>0)        {            buff[n] = 0;            printf("%s %u says: %s\n", inet_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port), buff);            n = sendto(sock, buff, n, 0, (struct sockaddr *)&clientAddr, sizeof(clientAddr));            if (n < 0)            {                perror("sendto");                break;            }        }        else        {            perror("recv");            break;        }    }    return 0;}

客户端（client.c）：

#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <pthread.h>#include <netinet/in.h>#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <arpa/inet.h>int main(int argc, char **argv){    if (argc != 3)    {        printf("Usage: %s ip port", argv[0]);        exit(1);    }    printf("This is a UDP client\n");    struct sockaddr_in addr;    int sock;    if ( (sock=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) <0)    {        perror("socket");        exit(1);    }    addr.sin_family = AF_INET;    addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    if (addr.sin_addr.s_addr == INADDR_NONE)    {        printf("Incorrect ip address!");        close(sock);        exit(1);    }    char buff[512];    int len = sizeof(addr);    while (1)    {        scanf("%s",buff);        int n;        n = sendto(sock, buff, strlen(buff), 0, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));        if (n < 0)        {            perror("sendto");            close(sock);            break;        }        n = recvfrom(sock, buff, 512, 0, (struct sockaddr *)&addr, &len);        if (n>0)        {            buff[n] = 0;            printf("received:");            puts(buff);        }        else if (n==0)        {            printf("server closed\n");            close(sock);            break;        }        else if (n == -1)        {            perror("recvfrom");            close(sock);            break;        }    }    return 0;}