Linux系统编程（七）网络编程TCP、UDP

本文目录

一、基础知识点
- [1. IP地址](#1. IP地址)
- [2. 端口](#2. 端口)
- [3. 域名](#3. 域名)
- [4. 网络协议类型](#4. 网络协议类型)
- [5. IP协议类型](#5. IP协议类型)
- [6. 字节序](#6. 字节序)
- [7. socket套接字](#7. socket套接字)
二、常用API
- [1. socket套接字描述符](#1. socket套接字描述符)
- [2. bind套接字绑定](#2. bind套接字绑定)
- [3. listen设置客户端连接个数](#3. listen设置客户端连接个数)
- [4. accept接收客户端请求](#4. accept接收客户端请求)
- [5. connect连接服务端](#5. connect连接服务端)
三、编程流程
- 1.TCP编程
- - 问题
  - 优化

在学习本章之前，可以查看《计算机网络基础》这篇文章进行学习。

一、基础知识点

1. IP地址

IP 地址的作用是标识计算机的网卡地址，每一台计算机都有一个 IP 地址。在程序中是通过IP 地址来访问一台计算机的。本节将讲述 IP 地址的一些知识。 IP 地址是用来标识全球计算机地址的一种符号，就比如一个手机的号码，使用这个地址可以访问一个计算机。

IP 地址具有统一的格式。 IP 地址是 32 位长度的二进制数值，存储空间是 4 个字节。例如： 11000000 10101000 00000001 00000110 是一台计算机的 IP 地址，但二进制的数值是不便于记忆的，可以把每个字节用一个十进制的整数来表示，既 192.168.1.6。

在同一个网络中， IP 地址是唯一的。因为需要根据 IP 地址来访问一台计算机，所以在可以访问的范围以内，每一台计算机的 IP 地址是唯一的。在终端中输入命令 ifconfig 可以查看本机 IP 信息。

2. 端口

在网络通信中，IP地址帮助我们定位到特定的计算机，而端口号则帮助我们在这台计算机上找到具体的应用程序或服务。每个应用程序监听不同的端口，以便接收和处理来自网络的请求。端口号通常以数字形式表示，并与IP地址一起使用，以标识网络通信的不同端点。

通俗举例：在同一个主机上，IP地址是固定的，但是主机上有很多程序功能，这些功能有不同的端口号。我们为了访问主机的某个功能程序，就必须指定其功能对应的端口号。例如主机的IP为：192.168.12.4，QQ的端口号为10，微信的端口号为13。我们为了使用微信这个功能，我们就需要使用：192.168.12.4: 13来使用其功能。

3. 域名

域名是互联网中用于标识一个网站或服务器的友好名称，它是IP地址的可读形式。域名系统（DNS）将域名转换为IP地址，使用户能够通过简单易记的名字访问网站，而不需要记住难记的IP地址。例如百度的域名为www.baidu.com，我们可以使用这个域名来代替百度的IP地址。小知识：可以使用 ping 命令来查看一个域名所对应的 IP 地址，例：ping www.baidu.com，我们就可以查看其真实的ip地址。

4. 网络协议类型

（1）TCP协议 ：提供可靠的、面向连接的数据传输，确保数据按顺序传递、不丢失、不重复，并进行错误检测和纠正。常用于需要可靠数据传输的应用，如Web、电子邮件和文件传输。

TCP 是面向连接的协议。所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合。面向连接服务是在数据交换之前，必须先建立连接。当数据交换结束后，则应终止这个连接。面向连接服务具有：连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。在传送数据时是按序传送的。建立链接：三次握手（这个过程我们并不看得到）。

（2）UDP协议：提供不可靠的、面向无连接的数据传输，数据包可能会丢失、重复或乱序，不进行错误检测和纠正。传输速度比TCP快！常用于实时性要求高、数据量小、丢失少不影响的应用，如视频流、音频流和游戏通信。

5. IP协议类型

IPv4和IPv6是两种不同版本的互联网协议（IP），用于标识网络设备的地址并进行数据包路由。它们的主要区别在于地址格式和容量。

（1）IPV4：是第四版互联网协议，目前仍是最广泛使用的IP协议。

●它使用32位地址空间，格式如下：

地址格式：四个十进制数，每个数范围从0到255，由点分隔。例如：192.168.1.1。

地址数量：IPv4的地址空间约有42亿个唯一地址（2^32）。

●IPv4的特点

地址空间有限：由于地址空间较小，IPv4地址逐渐耗尽，尤其随着互联网设备数量的爆炸性增长。

地址分配：IPv4地址的分配方式包括公共地址和私有地址，私有地址用于局域网内通信，不可在互联网中直接使用（如192.168.x.x）。

NAT（网络地址转换）：由于地址空间有限，NAT技术被广泛应用，使多个设备可以共享一个公共IP地址访问互联网。

（2）IPV6：是第六版互联网协议，设计为IPv4的继任者，提供更大的地址空间和其他改进。

● 它使用128位地址空间，格式如下：

地址格式：八组十六进制数，每组四个十六进制数字，由冒号分隔。例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

地址数量：IPv6的地址空间极其庞大，有约3.4×10^{38个地址（2}128）。

●IPv6的特点

几乎无限的地址空间：IPv6提供了极其庞大的地址空间，足以满足未来互联网设备的需求。

简化的地址配置：支持无状态地址自动配置（SLAAC），设备可以自动生成IPv6地址，不需要手动配置或DHCP。

内置安全性：IPv6支持IPSec协议，提供更好的安全性。

无NAT需求：由于地址空间充足，不再需要NAT，大大简化了网络结构和提高了传输效率。

改进的路由和网络配置：IPv6改进了路由选择和地址分配机制，简化了网络配置和管理。

6. 字节序

顾名思义就是字节的存放顺序，就是字节数大于1的数据在内存中的存放顺序，字节数为1的数据就没有顺序的问题。
（1）主机字节序

数据在主机（计算机）内部的字节顺序。在计算机系统中，数据存储在内存中，字节的存储顺序取决于计算机的体系结构。

●有两种主要的字节序：大端序 和小端序 。在大端序中，高位字节存储在低地址，低位字节存储在高地址。在小端序中，低位字节存储在低地址，高位字节存储在高地址。X_86系统一般都是小端序。

（2）网络字节序

是一种特定的字节序，用于在网络中传输数据。在网络通信中，数据在传输过程中需要保持一致的字节序，以确保不同主机之间能够正确解释和处理数据。网络字节序规定使用大端序作为标准字节序。

为了确保在网络通信中使用统一的字节序，常见的网络编程库提供了一系列函数来进行字节序转换，以确保数据在传输过程中采用网络字节序。

c 复制代码

htons() //将16位整数从主机字节序转换为网络字节序（Host to Network Short）。
htonl() //将32位整数从主机字节序转换为网络字节序（Host to Network Long）。
ntohs() //将16位整数从网络字节序转换为主机字节序（Network to Host Short）。
ntohl() //将32位整数从网络字节序转换为主机字节序（Network to Host Long）。

inet_ntoa() // 是一个用于将网络字节序的二进制 IPv4 地址转换为点分十进制字符串表示形式的函数。
inet_addr() //函数用于将点分十进制字符串形式的 IPv4 地址转换为网络字节序的二进制形式。

7. socket套接字

（1）定义

Socket（套接字）是在网络编程中用于实现不同主机间通信的一种机制，它允许应用程序通过网络发送和接收数据。

Socket的工作原理基于客户端-服务器模型，其中一个程序充当客户端，另一个充当服务器。通常，服务器在一个主机上运行并侦听特定的端口，客户端则连接到服务器的IP地址和端口号。

（2）类型

①流式 socket（SOCK_STREAM）：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正确性和顺序性。

②数据报 socket（SOCK_DGRAM）：定义了一种无连接的服务，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 socket：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，不常用。

二、常用API

●头文件

c 复制代码

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>

1. socket套接字描述符

返回值：套接字描述符

c 复制代码

int socket(int domain, int type, int protocol)
//int domain ：：代表一个协议族。AF_INET 决定了要用 ipv4 地址；
//int type：指定IP协议类型，常见的是TCP： SOCK_STREAM。 UDP：SOCK_DGRAM等。
//int protocol：当为 0 时，会自动选择 type 类型对应的默认协议。

2. bind套接字绑定

将套接字绑定到指定的本地地址上，这样就可以在该地址上进行数据收发操作。通常，在服务器程序中，使用bind()函数将服务器套接字绑定到服务器的IP地址和端口号上，以便客户端可以连接到该地址并与服务器通信。

c 复制代码

int bind(int sockfd, struct sockaddr* my_addr, int addrlen);
//int sockfd：socket套接字描述符
//struct sockaddr* my_addr ：本地ip地址结构体，包含ip地址、端口等。
// int addrlen： struct sockaddr 结构的大小。

使用举例：

c 复制代码

//下述结构体已经在#include <sys/socket.h>头文件中定义，不需要程序员自己定义。
/*
	struct sockaddr_in {
	 sa_family_t sin_family;     // address family: IP协议类型：AF_INET（IPV4）、AF_INET6（IPV6）。
	 in_port_t sin_port;         // port in network byte order 端口号 
	 struct in_addr sin_addr;    //internet address IP 地址 
	};
	
	struct in_addr {
		in_addr_t s_addr;  //ip地址
*/
//填写绑定的结构体内容	
sockaddr_in server_info;    //初始化结构体
server_info.sin_family =AF_INET;    //IPV4类型
server_info.sin_port=htons(50000);  //htons()将一个主机字节序端口号转为网络字节序下的端口号。
server_info.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); //所有人都可以连接。

bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_info, sizeof(server_info));  //绑定ip以及端口号

3. listen设置客户端连接个数

设置客户端连接个数（最大排队长度）：即多个客户端连接服务端时，当服务端没有接收这个请求，则客户端会进入排队等待中，那么这个排队长度就是最大可以容忍排队客户端的数量。

c 复制代码

int listen(int sockfd, int backlog);
//int sockfd：socket套接字描述符。
// int 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。

4. accept接收客户端请求

监听是否有客户端链接，调用 accpet 之后会一直阻塞，直到有用户连接。

返回值：客户端的文件描述符。

c 复制代码

int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);
//int sockfd：socket套接字描述符。
//void *addr ：用于存放客户端的信息
//int *addrlen :接收客户端的信息长度。

举例：

c 复制代码

sockaddr_in client_info;    //用于存储连接的客户端的信息
int client_socket;

client_socket=accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_info, &(sizeof(client_info)));
printf("客户端的socket:%d, ip:%s, 端口:%d\n",client_socket, client_info.sin_addr, client_info.sin_port);

5. connect连接服务端

用于在客户端与服务器进行端连接。0 ：成功。1 :失败。

c 复制代码

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);
//int sockfd：socket()返回的文件描述符。
//struct sockaddr * serv_addr：服务端的地址，通常传递 struct sockaddr_in 结构体类型。
//int addrlen) ：serv_addr长度。

三、编程流程

1.TCP编程

使用例程：

●TCP服务端：

服务端是固定的，客户端是改变的。只能客户端去连接服务端，不能服务端连接客户端。正常先断开客服端，再断开服务端。

c 复制代码

#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

//-----------------------------------------------服务端---------------------------
int main(int argc, char **argv)
{	  
	int ret;
	int client_sock;  
	int  server_sock;
	char receive_data[100]={0};
	struct sockaddr_in client_info;
	struct sockaddr_in server_info;
	socklen_t length;
	
	//1.创建socket，ip协议类型，网络协议类型，具体协议
	//SOCK_STREAM(流式)： 使用TCP协议，保证数据传输的正确性和顺序性；
	//SOCK_DGRAM(数据报)：使用UDP协议，不保证数据传输的正确性和顺序性。(速度快)	 
	server_sock=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(server_sock < 0){
		perror("socket error");
		return -1;
	}
	
	//2.设置服务端 
	server_info.sin_family = AF_INET;                 //ip协议类型为 ipv4
	server_info.sin_port   = htons(8888);            //端口号为8888。将小端转为大端。
	server_info.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);   //接收所有人的连接，程序在哪作为服务端运行，就填该地的ip地址。
	
	//3.绑定端口：绑定到指定的socket，绑定的信息，信息的长度
	ret= bind(server_sock, (const struct sockaddr *)&server_info,sizeof(server_info));
	if(ret < 0){
		perror("bind error");
		return -1;
	}
	
	//4.开启监听：监听的socket，最大排队数(当1个客户端申请连接，但服务端还没有同意连接请求时，客户端会等待。最多有10个可以等待排队的客户端)
	ret=listen(server_sock, 10);
	if(ret < 0){
		perror("listen error");
		return -1;
	}
	//5. 接收客户端连接。
	length=sizeof(client_info);
	client_sock= accept(server_sock, (struct sockaddr *)&client_info,  &length); //将连接的客户端的信息存到client_info中。	
	printf("客户端的socket:%d, ip:%s, 端口:%d\n",client_sock, inet_ntoa(client_info.sin_addr), client_info.sin_port);
	
	//6. 服务端向指定的客户端发送数据
	write(client_sock, "hello world",strlen("hello world"));
	//7. 接收指定的客户端发送的数据。读不到会阻塞。
	read(client_sock, receive_data,100);
	printf("Client:%d,Send_data：%s\n",client_sock, receive_data);
	//7. 关闭描述符
	close(client_sock);                //先关闭客户端描述符
	close(server_sock);                //再关闭服务端描述符
}

在调试时：服务端在哪运行就填哪的IP地址。

●TCP客户端：

c 复制代码

#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	int client_sock;
	int ret;
	struct sockaddr_in server_info;
	char receive_data[100]={0};
	
	// 1.创建socket，ip协议类型，网络协议类型，具体协议
	//SOCK_STREAM(流式)： 使用TCP协议，保证数据传输的正确性和顺序性；
	//SOCK_DGRAM(数据报)：使用UDP协议，不保证数据传输的正确性和顺序性。(速度快)
	client_sock=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(client_sock< 0){
		perror("socket error");
		return -1;
	}	  
	
	// 2.设置服务端的信息	  
	server_info.sin_family = AF_INET;                           //ip协议类型为 ipv4
	server_info.sin_port   = htons(8888);                      //服务端端口号为40000。将小端转为大端
	server_info.sin_addr.s_addr= inet_addr("192.168.195.15");     //写入服务端的ip地址
	
	// 3.连接服务端	  
	ret=connect(client_sock,(const struct sockaddr *)&server_info, sizeof(server_info));
	if(ret < 0){
		perror("connect error");
		return -1;
	}
	printf("connect ok!\n");
	
	//4. 向服务器发送数据
	write(client_sock, "i am client_one", strlen("i am client_one"));
	//5. 接收服务器发送的数据，读不到会阻塞。
	read(client_sock, receive_data, 100);  
	printf("receive_data：%s\n",receive_data);
	//6. 创建接收服务端数据的线程,实现客户端与服务端互相收发
	close(client_sock);                //关闭服务端通信句柄
	return 0;
}

我们使用两个命令窗口，先执行服务端的代码，再执行客户端的代码。

问题

1. 上述代码中无论是TCP的服务端还是客户端，我们都是用先写在读的方式，因为如果两端都是先读的话，那么当read读不到数据后会一直堵塞。但是上述代码虽然通信正常，但是我们不可能只发送或者接收一次数据就终止，我们通常要进行多次的收发。所以要加上while语句一直执行，但是我们又不可能两端每次读之前都得进行写操作。那么怎么解决这个问题，使得双方都可以又读又写，而且互不耽误呢？

答：使用多线程！使用主线程写数据，子线程读数据。而且TCP的服务端，可以由多个客户端连接它，所以使用线程是必不可少的。可以使用多个线程来创建TCP的客户端。多线程参考文章。

2. 为什么主线程进行写，子线程读。而不是主线程读，子线程写呢？
答：无论是TCP的客户端还是服务端，必须使用主线程来进行写操作。因为我们写的操作是通过键盘来进行输入的，如果使用子线程来进行写操作的话，多个子线程会同时抢占键盘的控制权，假设我们输入了10个字符，可能这10个字符已经被多个线程分割完，所以为了避免这种情况，我们必须要使用主线程来进行写操作。

优化

既然我们解决了之前存在的问题，那么现在我们优化我们的代码。

●TCP客户端

c 复制代码

#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>

//接收
void *task(void *arg)
{
  int ret;
  int client_socket =*(int *)arg;
  char receive_data[100]={0};
  free(arg);
  while(1)
  {
 	  memset(receive_data, 0, sizeof(receive_data));	
      ret=read(client_socket, receive_data, strlen(receive_data));
      if(ret == 0){
			perror("send error");
			break;
		}	
	  printf("%s\n",receive_data);
  }
  close(client_socket);
  pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int ret;
	int *client_sock;
	pthread_t thread;
	struct sockaddr_in server_info;  //服务端的信息
	char send_data[100]={0};
	
	// 1.创建socket，ip协议类型，网络协议类型，具体协议
	client_sock= (int *)malloc(sizeof(int));
	*client_sock=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(*client_sock< 0){
		perror("socket error");
		return -1;
	}	  
	
	// 2.设置服务端的信息	  
	server_info.sin_family = AF_INET;                           //ip协议类型为 ipv4
	server_info.sin_port   = htons(8888);                      //服务端端口号为40000。将小端转为大端
	server_info.sin_addr.s_addr= inet_addr("192.168.195.15");     //写入服务端的ip地址

	// 3.连接服务端	  
	ret=connect(*client_sock,(const struct sockaddr *)&server_info, sizeof(server_info));
	if(ret < 0){
		perror("connect error");
		return -1;
	}
	printf("connect ok!\n");
   
   //创建线程
	ret=pthread_create(&thread, NULL, task,(void *)client_sock);
	if (ret != 0) {
	        perror("pthread_create error");
	        return -1;
	    }
	
   while(1)
   { 
     //4. 向服务器发送数据
		fgets(send_data,sizeof(send_data),stdin);
		ret= write(*client_sock, send_data, strlen(send_data));
		if(ret < 0){
			perror("send error");
			break;
		}	
    }
	printf("Socket%d号客户端断开连接\n",*client_sock);
	close(*client_sock);                //关闭服务端通信句柄
	return 0;
}