Linux应用开发基础知识——网络通信编程(九)

前言：

通过学习为后续Linux网络编程奠定基础。首先介绍网络编程的概念，即网络协议分层，旨在帮助读者对网络建立初步的、全面立体的认识，其次介绍包括协议、端口、地址等；最后介绍应用非常广泛的传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）的基本概念及其区别以及这两种协议的编程。

一、网络编程概念

1 网络通信概述

（1） IP 和端口

所有的数据传输，都有三个要素：源、目的、长度。

在网络传输中需要使用“IP 和端口”来表示源或目的

（2）网络传输中的 2 个对象：server 和 client

我们经常访问网站，这涉及 2 个对象：网站服务器，浏览器。网站服务器平时安静地呆着，浏览器主动发起数据请求。网站服务器、浏览器可以抽象成 2 个软件的概念：server 程序、client 程序。

2.两种传输方式：TCP/UDP

在一般的网络书籍中，网络协议被分为 5 层

        应用层：它是体系结构中的最高层，直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务。在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议，支持文件传送的 FTP 协议，DNS， POP3，SNMP，Telnet 等等。

        运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。运输层主要使用以下两种协议： 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。 用户数据包协议 UDP(User Datagram Protocol)：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。

        网络层：负责将被称为数据包（datagram）的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。

        链路层：因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。

        物理层：在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。

        我们只需要知道：我们需要使用“运输层” 编写应用程序，我们的应用程序位于“应用层”，使用“运输层”时，可以选择 TCP 协议，也可以选择 UDP 协议。

（1）TCP和UDP原理上的区别

TCP 向它的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务有 2 个特点：可靠传输、流量控制（即发送方/接收方速率匹配）。它包括了应用层报文划分为短报文， 并提供拥塞控制机制。

UDP 协议向它的应用程序提供无连接服务。它没有可靠性，没有流量控制，也没有拥塞控制。

（2）为何存在UDP协议

因为有许多应用更适合用 UDP，举个例子：视频通话时，使用 UDP，偶尔的丢包、偶尔的花屏时可以忍受的；如果使用 TCP，每个数据包都要确保可靠传输，当它出错时就重传，这会导致后续的数据包被阻滞，视频效果反而不好。

使用UDP时，有如下特点：

1）关于何时发送什么数据控制的更为精细

采用 UDP 时只要应用进程将数据传递给 UDP，UDP 就会立即将其传递给网络层。而 TCP 有重传机制，而不管可靠交付需要多长时间。但是实时应用通常不希望过分的延迟报文段的传送，且能容忍一部分数据丢失。

2）无需建立连接，不会引入建立连接时的延迟。

3）无连接状态，能支持更多的活跃客户。

4）分组首部开销较小。

（3）TCP/UDP 网络通信大概交互图

TCP协议

UDP协议

二、网络编程主要函数介绍

1.socket 函数

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

此函数用于创建一个套接字。

domain 是网络程序所在的主机采用的通讯协族(AF_UNIX 和 AF_INET 等)。

        AF_UNIX 只能够用于单一的 Unix 系统进程间通信。

        AF_INET 是针对 Internet 的，因而可以允许远程通信使用。

type 是网络程序所采用的通讯协议(SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM 等)。

        SOCK_STREAM 表明用的是 TCP 协议，这样会提供按顺序的，可靠，双向，面向连接的比特流。

        SOCK_DGRAM 表明用的是 UDP 协议，这样只会提不可靠，无连接的通信。

protocol 由于指定了 type，所以这个地方一般只要用 0 来代替就可以了。

此函数执行成功时返回文件描述符，失败时返回-1,看 errno 可知道出错的详细情况。

2.bind 函数

int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

函数用于将地址绑定到一个套接字。

sockfd 是由 socket 函数调用返回的文件描述符。

my_addr 是一个指向 sockaddr 的指针。

addrlen 是 sockaddr 结构的长度。

sockaddr 的定义
struct sockaddr{
unisgned short as_family;
char sa_data[14];
};
由于系统的兼容性 , 我们一般使用另外一个结构 (struct sockaddr_in) 来代替。

sockaddr_in 的定义：
struct sockaddr_in{
unsigned short sin_family;
unsigned short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
unsigned char sin_zero[8];
}
如果使用 Internet 所以 sin_family 一般为 AF_INET

sin_addr 设置为 INADDR_ANY 表示可以和任何的主机通信。

sin_port 是要监听的端口号。

bind 将本地的端口同 socket 返回的文件描述符捆绑在一起.成功是返回 0, 失败的情况和 socket一样。

3.listen 函数

int listen(int sockfd,int backlog);

此函数宣告服务器可以接受连接请求。

sockfd 是 bind 后的文件描述符。

backlog 设置请求排队的最大长度。当有多个客户端程序和服务端相连时，使用这个表示可以介绍的排队长度。

listen函数 将 bind 的文件描述符变为监听套接字，返回的情况和 bind 一样。

4.accept 函数

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

服务器使用此函数获得连接请求，并且建立连接。

sockfd 是 listen 后的文件描述符。

addr，addrlen 是用来给客户端的程序填写的,服务器端只要传递指针就可以了， bind,listen 和 accept 是服务器端用的函数。

accept函数 调用时，服务器端的程序会一直阻塞到有一个客户程序发出了连接。 accept 成功时返回最后的服务器端的文件描述符，这个时候服务器端可以向该描述符写信息了，失败时返回-1 。

5. connect 函数

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);

可以用 connect 建立一个连接，在 connect 中所指定的地址是想与之通信的服务器的地址。

sockfd 是 socket 函数返回的文件描述符。

serv_addr 储存了服务器端的连接信息，其中 sin_add 是服务端的地址。

addrlen 是 serv_addr 的长度

connect 函数是客户端用来同服务端连接的.成功时返回 0，sockfd 是同服务端通讯的文件描述符，失败时返回-1。

6.send 函数

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

sockfd 指定发送端套接字描述符；

buf 指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；

len 指明实际要发送的数据的字节数；

flags 一般置 0。

客户或者服务器应用程序都用 send 函数来向 TCP 连接的另一端发送数据

7.recv 函数

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

sockfd 指定接收端套接字描述符；

buf 指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放 recv 函数接收到的数据；

len 指明 buf 的长度；

flags 一般置 0。

客户或者服务器应用程序都用 recv 函数从 TCP 连接的另一端接收数据

8. recvfrom 函数

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

recvfrom 通常用于无连接套接字，因为此函数可以获得发送者的地址。

src_addr 是一个 struct sockaddr 类型的变量，该变量保存源机的 IP 地址及端口号。

addrlen 常置为 sizeof （struct sockaddr）。

9.sendto 函数

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

sendto 和 send 相似，区别在于 sendto 允许在无连接的套接字上指定一个目标地址。

bdest_addr 表示目地机的 IP 地址和端口号信息

addrlen 常常被赋值为 sizeof （struct sockaddr）。

sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。

三、TCP 编程

1.服务器端 server.c

  1 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */2 #include <sys/socket.h>3 #include <string.h>4 #include <sys/socket.h>5 #include <netinet/in.h>6 #include <arpa/inet.h>7 #include <unistd.h>8 #include <stdio.h>9 #include <signal.h>101112 /* socket13  * bind14  * listen15  * accept16  * send/recv17  */1819 #define SERVER_PORT 888820 #define BACKLOG     102122 int main(int argc, char **argv)23 {24     int iSocketServer;25     int iSocketClient;26     struct sockaddr_in tSocketServerAddr;27     struct sockaddr_in tSocketClientAddr;28     int iRet;29     int iAddrLen;3031     int iRecvLen;32     unsigned char ucRecvBuf[1000];3334     int iClientNum = -1;3536     signal(SIGCHLD,SIG_IGN);3738     iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);39     if (-1 == iSocketServer)40     {41         printf("socket error!\n");42         return -1;43     }4445     tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;46     tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */47     tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;48     memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);4950     iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));51     if (-1 == iRet)52     {53         printf("bind error!\n");54         return -1;55     }5657     iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG);58     if (-1 == iRet)59     {60         printf("listen error!\n");61         return -1;62     }6364     while (1)65     {66         iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);67         iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);68         if (-1 != iSocketClient)69         {70             iClientNum++;71             printf("Get connect from client %d : %s\n",  iClientNum, inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr));72             if (!fork())73             {74                 /*子进程的源码*/75                 while (1)76                 {77                     /* 接收客户端发来的数据并显示出来 */78                     iRecvLen = recv(iSocketClient, ucRecvBuf, 999, 0);79                     if (iRecvLen <= 0)80                     {81                         close(iSocketClient);82                         return -1;83                     }84                     else85                     {86                         ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';87                         printf("Get Msg From Client %d: %s\n", iClientNum, ucRecvBuf);88                     }89                 }90             }91         }92     }9394     close(iSocketServer);95     return 0;96 }

第19行：宏定义一个端口

第20行：宏定义一个同时监听多少路连接

第26行：定义一个服务器端的sockaddr_in结构体

第27行：定义一个客户端的sockaddr_in结构体

38 iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
第38行：创建一个套接字

                AF_INET 是针对 Internet 的，因而可以允许远程通信使用

  SOCK_STREAM 表明用的是 TCP 协议，这样会提供按顺序的，可靠，双向，面向连接的比特流。

protocol 由于指定了 type，所以这个地方一般只要用 0 来代替就可以了。

第45行：如果使用 Internet 所以 sin_family 一般为 AF_INET

第46行：sin_port 是要监听的端口号，端口号19行有定义

第47行：sin_addr 设置为 INADDR_ANY 表示可以和任何的主机通信，监测本机上所有的IP。

第48行：将结构体中sin_zero[8]设置为0。
 50 iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
第50行：将地址绑定到一个套接字

                sockfd 是由 socket 函数调用返回的文件描述符。

                my_addr 是一个指向 sockaddr 的指针。

                addrlen 是 sockaddr 结构的长度。

57 iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG);
第57行：宣告服务器可以接受连接请求。

sockfd 是 bind 后的文件描述符。

backlog 设置请求排队的最大长度。当有多个客户端程序和服务端相连时，使用这个表示可以介绍的排队长度。

 67 iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
第67行： 获得连接请求，并且建立连接。

                sockfd 是 listen 后的文件描述符。

                addr，addrlen 是用来给客户端的程序填写的,服务器端只要传递指针就可以了， bind,listen 和 accept 是服务器端用的函数。

                accept函数 调用时，服务器端的程序会一直阻塞到有一个客户程序发出了连接。 accept 成功时返回最后的服务器端的文件描述符，这个时候服务器端可以向该描述符写信息了，失败时返回-1 。

第68行：如果！= -1则表明已经连接成功

第70行：统计客户端的数量

第71行：获取并且打印客户端

第72行：当遇到进程会复制一个新进程，实现接收多个客户端

第75~89行：子进程源码

接收客户端发来的数据并显示出来

第94行：关闭服务器端

2.客户端 client.c

  1 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */2 #include <sys/socket.h>3 #include <string.h>4 #include <sys/socket.h>5 #include <netinet/in.h>6 #include <arpa/inet.h>7 #include <unistd.h>8 #include <stdio.h>910 /* socket11  * connect12  * send/recv13  */1415 #define SERVER_PORT 88881617 int main(int argc, char **argv)18 {19     int iSocketClient;20     struct sockaddr_in tSocketServerAddr;2122     int iRet;23     unsigned char ucSendBuf[1000];24     int iSendLen;2526     if (argc != 2)27     {28         printf("Usage:\n");29         printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);30         return -1;31     }3233     iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);3435     tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;36     tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */37     //tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;38     if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))39     {40         printf("invalid server_ip\n");41         return -1;42     }43     memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);444546     iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));47     if (-1 == iRet)48     {49         printf("connect error!\n");50         return -1;51     }5253     while (1)54     {55         if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))56         {57             iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);58             if (iSendLen <= 0)59             {60                 close(iSocketClient);61                 return -1;62             }63         }64     }6566     return 0;67 }68

第19行：定义客户端

第20行：服务器端的地址

第23行：客户端信息的空间

第24行：发送的长度

第26~36行：获取服务器端的地址并且打印出来，第33行分配一个地址

第38~42行：将IP地址转换并存到 &tSocketServerAddr.sin_addr

46 iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
第46行：建立客户端与服务器端的联系，connect 建立一个连接，在 connect 中所指定的地址是想与之通信的服务器的地址。

                sockfd 是 socket 函数返回的文件描述符。

                serv_addr 储存了服务器端的连接信息，其中 sin_add 是服务端的地址。

                addrlen 是 serv_addr 的长度

                connect 函数是客户端用来同服务端连接的.成功时返回 0，sockfd 是同服务端通讯的文件描述符，失败时返回-1。

第55行：获得缓冲区
57 iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
第57行： send 函数来向 TCP 连接的另一端发送数据

                sockfd 指定发送端套接字描述符；

                buf 指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；

                len 指明实际要发送的数据的字节数；

                flags 一般置 0

第58~ 62行：如果发送失败关闭客户端并且返回-1

3.运行测试：

四、UDP编程

1.服务器端 server.c

1 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */2 #include <sys/socket.h>3 #include <string.h>4 #include <sys/socket.h>5 #include <netinet/in.h>6 #include <arpa/inet.h>7 #include <unistd.h>8 #include <stdio.h>9 #include <signal.h>101112 /* socket13  * bind14  * sendto/recvfrom15  */1617 #define SERVER_PORT 88881819 int main(int argc, char **argv)20 {21     int iSocketServer;22     int iSocketClient;23     struct sockaddr_in tSocketServerAddr;24     struct sockaddr_in tSocketClientAddr;25     int iRet;26     int iAddrLen;2728     int iRecvLen;29     unsigned char ucRecvBuf[1000];3031     int iClientNum = -1;3233     iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);34     if (-1 == iSocketServer)35     {36         printf("socket error!\n");37         return -1;38     }3940     tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;41     tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */42     tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;43     memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);4445     iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));46     if (-1 == iRet)47     {48         printf("bind error!\n");49         return -1;50     }515253     while (1)54     {55         iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);56         iRecvLen = recvfrom(iSocketServer, ucRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);57         if (iRecvLen > 0)58         {59             ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';60             printf("Get Msg From %s : %s\n", inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr), ucRecvBuf);61         }62     }6364     close(iSocketServer);65     return 0;66 }

第33行： SOCK_DGRAM设置为UDP模式

 56 iRecvLen = recvfrom(iSocketServer, ucRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
第55行：获取地址长度

第56行： 可以获得发送者的地址

src_addr 是一个 struct sockaddr 类型的变量，该变量保存源机的 IP 地址及端口号

addrlen 常置为 sizeof （struct sockaddr）

2.客户端 client.c

  1 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */2 #include <sys/socket.h>3 #include <string.h>4 #include <sys/socket.h>5 #include <netinet/in.h>6 #include <arpa/inet.h>7 #include <unistd.h>8 #include <stdio.h>910 /* socket11  * connect12  * send/recv13  */1415 #define SERVER_PORT 88881617 int main(int argc, char **argv)18 {19     int iSocketClient;20     struct sockaddr_in tSocketServerAddr;2122     int iRet;23     unsigned char ucSendBuf[1000];24     int iSendLen;25     int iAddrLen;2627     if (argc != 2)28     {29         printf("Usage:\n");30         printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);31         return -1;32     }3334     iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);3536     tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;37     tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */38     //tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;39     if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))40     {41         printf("invalid server_ip\n");42         return -1;43     }44     memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);4546 #if 047     iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));48     if (-1 == iRet)49     {50         printf("connect error!\n");51         return -1;52     }53 #endif5455     while (1)56     {57         if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))58         {59 #if 060             iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);61 #else62             iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);63             iSendLen = sendto(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0,64                                   (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, iAddrLen);6566 #endif67             if (iSendLen <= 0)68             {69                 close(iSocketClient);70                 return -1;71             }72         }73     }7475     return 0;76 }77

 63 iSendLen = sendto(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0,64             (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, iAddrLen);
第63和64行：sendto 和 send 相似，区别在于 sendto 允许在无连接的套接字上指定一个目标地址。

                 bdest_addr 表示目地机的 IP 地址和端口号信息

                 addrlen 常常被赋值为 sizeof （struct sockaddr）。

                 sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。