Linux下的TCP/IP编程----基础篇

Socket
网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换，这个连接的一端称为一个socket。
Socket的英文原义是“孔”或“插座”。作为BSD UNIX的进程通信机制，取后一种意思。通常也称作”套接字”，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄，可以用来实现不同虚拟机或不同计算机之间的通信。在Internet上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。Socket正如其英文原意那样，像一个多孔插座。一台主机犹如布满各种插座的房间，每个插座有一个编号，有的插座提供220伏交流电， 有的提供110伏交流电，有的则提供有线电视节目。 客户软件将插头插到不同编号的插座，就可以得到不同的服务

Socket的链接步骤：

服务端：

创建套接字—-绑定端口地址—-监听链接请求—-接受链接请求——进行通讯

1. int socket(int domain,int type, int protocol)：创建socket套接字

• domain (协议族)：该参数决定socket使用哪种协议进行通讯

  PF_INET——IPv4协议族
  PF_INET6——-IPv6协议族
  PF_LOCAL——本地通讯的Unix协议族
  PF_PACKET——底层套接字协议族
  PF_IPX——IPX Novell协议族

• type (套接字类型)：该参数决定了socket在协议族的限定下，使用那种方式进行连接

  SOCK_STREAM（面向连接的）：
  这种连接方式是要在两个socket端建立一个长连接，在通许期间是不断开的，始终保持连接。所以其在传输过程中数据不会消失，所有的数据都是按照顺序传输，而且传输的数据没有边界限定。

  SOCK_DGRAM（面向消息的）：
  这种连接方式在通讯时不需要始终维持一个连接，只需要在进行通讯时将数据进行包裹后向目的socket发出即可。这种连接方式并不是按照数据的顺序依次进行传输，而是把数据分割包装在包裹中，所以数据的可能会发生丢失或者是损毁，而且每次传输限制数据的大小（不能超过每个数据包的大小），所以每次传输是有边界的。

• protocol (协议)：该参数决定了socket在协议族和连接方式的限定下具体使用哪种协议进行通讯

  根据具体选择的协议族和连接方式进行选择，当所选的协议族和连接类型的限定下只有一种协议时，可以传入0作为默认值。

socket()函数成功时返回文件描述符，失败时返回-1

2. int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen)：为socket分配（绑定）地址

• sockfd（socket的文件描述符）：服务端的socket描述符

• myaddr（socket地址）：服务端的socket地址

• addrlen（socket地址长度）：服务端的socket地址长度

若成功绑定则返回0，失败则返回-1

3.int listen(int sockfd, int backlog)：监听连接请求

• sockfd（socket的文件描述符）：服务端的socket描述符

• backlog（连接请求队列的长度）：表示最多可进入队列的连接请求数量。

若进入监听状态成功则返回0，失败时返回-1

4. int accept(int sockfd, struct sockaddr addr, socklen_t addrlen)：接受连接请求，进行通讯

• sockfd（socket的文件描述符）：服务器端描述符

• addr （socket地址）：保存发起连接请求的socket客户端地址信息

• addrlen（socket地址长度） ：客户端socket地址长度

若成功则返回文件描述符（即将要通讯的客户端的socket描述符），失败则返回-1

5. 至此就完成了服务端的建立，在当客户端进行连接请求时就可以接受连接，进行和通讯。

客户端：

创建套接字—-请求链接服务器—–进行通讯

1.int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr, socklen_t addrlen )：客户端请求连接

• sockfd（socket文件描述符）：要连接的服务端 socket描述符

• serv_addr（socket地址）：要连接的服务端的地址

• addrlen（socket地址长度）：服务端的socket地址长度

若成功则返回0，失败则返回-1

2. 至此就完成了客户端的建立，只要在请求连接成功之后便可以和服务端进行通讯

客户端/服务端的通讯：

因为在Linux中所有的一切都被视为是文件，所以socket之间的读写也被认为是文件读写，所以就需要了解Linux中的文件操作。

分配给系统的标准输入/输出/错误文件描述符

文件描述符 对象 0 标准输入：Standard Input 1 标准输出：Standard Output 2 标准错误：Standard Error

int open(const *path, int flag)：打开文件

• path（文件名的字符串地址）：要打开的文件名的字符串地址

• flag（文件打开模式信息）：文件的打开方式

  O_CREAT——必要时创建文件

  O_TRUNC——删除全部现有文件

  O_APPEND——维持现有文件，保存到其后面

  O_RDONLY——只读打开

  O_WRONLY——只写打开

  O_RDWR——读写打开
  成功时返回文件描述符，失败时返回-1

int close(int fd)：关闭文件

• fd（文件描述符）：要关闭的文件描述符

成功时返回0，失败时返回-1

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes)：向文件中写入数据

• fd（文件描述符）：要写入的对象的文件描述符

• buf（缓冲指针）：保存要写入数据的缓存地址的指针

• nbytes（缓冲数据的字节数）：要传送数据的字节数

成功则返回写入的字节数，失败则返回-1

ssize_t read(int fd, const void *buf, size_t nbytes)：从文件中读取数据

• fd（文件描述符）：要读入的对象的文件描述符

• buf（缓冲指针）：保存要读入数据的缓存地址的指针

• nbytes（读入数据的字节数）：要接受数据的最大字节数

成功时返回读取的字节数（若遇到文件末尾则返回0），失败时返回-1

ssize_t send(int fd, const void *buf, size_t nbytes，int flag)：写出数据

• fd（文件描述符）：要写入的对象的套接字文件描述符

• buf（缓冲指针）：保存要写入数据的缓存地址的指针

• nbytes（缓冲数据的字节数）：要传送数据的字节数

• flag（标志位）：传输数据时指定的可选信息项

成功时返回发送的字节数，失败时返回-1

ssize_t recv(int fd, const void *buf, size_t nbytes)：从文件中读取数据

• fd（文件描述符）：要读入的对象的套接字文件描述符

• buf（缓冲指针）：保存要读入数据的缓存地址的指针

• nbytes（读入数据的字节数）：可接收的最大字节数

• flag（标志位）：接收数据时的可选信息项
  成功时返回接受的字节数（收到EOF时返回 0），失败时返回-1

ssize_t readv(int fds, const struct iovec* iov, int iovcnt)：从文件中读取数据

• fds（文件描述符）：表示数据传输对象的套接字文件描述符，也可以像write函数一样传入文件或者是标准输入描述符

• iov（结构体数据指针）：iovec结构体数组的地址，结构体中包含发送数据的位置和大小信息。

• iovcnt（数组大小）：向第二个参数传递的数字长度

ssize_t writev(int fds, const struct iovec* iov, int iovcnt)：向文件中写入数据

• fds（文件描述符）：表示数据传输对象的套接字文件描述符，也可以像read函数一样传入文件或者是标准输出描述符

• iov（结构体数据指针）：iovec结构体数组的地址，结构体中包含发送数据的位置和大小信息。

• iovcnt（数组大小）：向第二个参数传递的数字长度

read&write， send&recv，readv&writev异同：

相同点：都可以进行基本的数据的读写操作，只从数据的传输结果来看没有太大的区别。

不同点：

read&write函数是标准的文件操作函数，只能进行文件的读写，并根据函数的返回值来判断读写的情况，其使用简单方便，但是只能满足基本的读写需求。

send&recv函数则在在read&write函数的基础上进行了扩充，多添加了一个标志位，使得在传输数据的同事能传递一些控制信息，增强了文件读写的可控制性。

readv&writev函数则是可以对数据进行整合来进行能够传输和发送，通过将多个缓冲区的数据进行整合发送，减少I/O函数调用的次数，提高了传输的效率。

地址族与数据序列：

我们都知道在网络中是通过IP地址来确定一个主机在网络中的位置，因而可以想到在网络通讯中也是在这个基础之上进行的。准确的来说，socket通信中主要是通过IP地址+端口号的方式来进行程序间的通讯：通过IP地址来唯一确定网络上的一台主机，通过端口号来唯一确定主机上的一个通讯程序。

IP地址：
IP地址分为IPv4和IPv6，目前只涉及到IPv4。两者的主要区别在于用于表示地址的字节长度不同，IPv4用4字节（32bit）来表示一个地址，IPv6用16字节（128bit）来表示一个地址。

IPv4地址分类：

A类：0~127
B类：128~191
C类：192~223

端口号：
端口号用于区分在 同一主机三个的多个应用进程，由16bit来表示，所以范围是0~65535，但是0~1023是常用的熟知端口（如web服务是80端口，FTP服务是21端口），所以仅可以使用剩下的端口号。

数据序列：

由于在不同的cpu中对于数字的保存方式不同，例如对于4字节整数型值1，有的cpu保存方式为 00000000 00000000 00000000 00000001,而有的cpu则是倒序保存 00000000 00000001 00000000 00000000这也就是我们所说的大端模式（高位字节存放在地位地址）和小端模式（高位字节存放在高位地址），该处的地址称为主机字节序。

为了在网络通讯时方便，统一规定网络字节序为大端模式，所以在进行地址的设定时要先进行地址的转换。

unsigned short htons(unsigned short)：主机字节序转换成网络字节序，用于转换端口号

• short（要转换的数据）：要转换的数据
  返回网络字节序

unsigned short ntohs(unsigned short)：网络字节序转换成主机字节序，用于转换端口号

• short（要转换的数据）：要转换的数据
  返回网络字节序

unsigned long htonl(unsigned long)：主机字节序转换成网络字节序，用于转换IP地址

• long（要转换的数据）：要转换的数据
  返回网络字节序

注：s代表short，l代表long，h代表主机字节序，n代表网络字节序。

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unsigned long ntohl(unsigned long)：网络字节序转换成主机字节序，用于转换IP地址

• long（要转换的数据）：要转换的数据
  返回网络字节序

in_addr_t inet_addr(const char * string)：将传入的IP地址转换成32位整型数，并转换成网络字节序

• string （字符串地址）：要转换的点分十进制的IP地址字符串，例如192.168.10.1

成功时返回32位打断序整数型值，失败时返回INADDR_NONE

在网络通讯中要使用socket_addr这个结构体来保存socket地址，因此需要对这个结构体有所了解。

struct sockaddr{ sa_family_t       sin_family;//地址族 char              sa_data[14];}struct sockaddr_in{ sa_family_t      sin_family;//地址族 uint16_t         sin_port;//16位的TCP/IP端口号（网络字节序） struct in_addr   sin_addr;//32位的IPv4地址（网络字节序） char             sin_zero[8]//不使用（必须填充位0,只是为了和sockaddr结构保持一致）    }struct in_addr{ in_addr_t           s_addr;//32位IPv4地址}