TCP/UDP 通用通信代码库（C语言实现）

金池尽干2024-10-25 18:57

一、C 语言网络编程基础

（一）套接字概念与特点

介绍套接字是网络通信中的端点，具有跨进程、跨网络、双向通信、协议无关性和地址绑定等特点。

套接字作为网络通信的端点，实现了不同进程之间的数据交换，无论这些进程是在同一台机器上还是分布在不同的网络位置。跨进程通信使得不同的程序能够协同工作，共同完成复杂的任务。跨网络通信则打破了物理位置的限制，只要网络可达，不同地点的进程就可以进行通信。双向通信意味着套接字既可以发送数据，也可以接收数据，为交互性的应用提供了基础。协议无关性使得套接字可以支持多种网络协议，不仅仅局限于特定的一种，增加了其灵活性和适用性。而地址绑定则为每个套接字分配了唯一的地址，包括 IP 地址和端口号，确保数据能够准确地发送到目标套接字。

（二）头文件 <sys/socket.h> 概述

1.数据类型：socklen_t、sockaddr 等结构体的作用和意义。

  • socklen_t 是一种无符号整型，通常用于表示与套接字相关的参数大小，如地址长度等，确保了跨平台的兼容性。在不同的操作系统中，对于地址长度等参数的表示可能会有所不同，socklen_t 的使用可以避免这种差异带来的问题。
  • sockaddr 是一个通用的套接字地址结构，它被设计为一个抽象层，允许应用程序通过同一接口处理不同类型的网络协议和地址族。sockaddr 通常与更具体的结构体如 sockaddr_in（用于 IPv4）和 sockaddr_in6（用于 IPv6）结合使用。这些具体的结构体包含了特定协议所需的地址信息，如 IP 地址和端口号等。

2.常量：AF_INET、SOCK_STREAM 等常量的含义及用途。

  • AF_INET 是地址族常量，标识 IPv4 协议。在网络编程中，当我们使用 AF_INET 时，意味着我们将使用 IPv4 地址进行通信。IPv4 地址由四个字节组成，通常以点分十进制形式表示，如 192.168.1.1。
  • SOCK_STREAM 是套接字类型常量，对应 TCP（面向连接的流套接字）。使用 SOCK_STREAM 类型的套接字可以实现可靠的数据传输，数据按序到达，不会出现丢失、重复或乱序的情况。这种类型的套接字适用于对数据传输可靠性要求较高的应用，如文件传输、电子邮件等。

3.函数：socket、bind、listen 等函数的功能和参数解析。

  • socket 函数用于创建一个新的套接字，它的原型为 int socket(int domain, int type, int protocol)。其中，domain 参数指定通信域（地址族），如 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）；type 参数指定套接字类型，如 SOCK_STREAM（TCP）或 SOCK_DGRAM（UDP）；protocol 参数指定使用的协议，一般设置为 0，让系统自动选择与 domain 和 type 匹配的默认协议。如果成功创建套接字，返回一个非负整数，即套接字描述符，用于后续的套接字操作；如果失败，返回 -1，并设置全局变量 errno 为相应的错误代码。
  • bind 函数将一个套接字与本地地址（IP 地址和端口号）绑定，使得该套接字可以接收发往该地址的连接请求或数据报。它的原型为 int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)。sockfd 是由 socket 函数返回的套接字描述符，addr 是一个指向包含本地地址信息的 sockaddr 结构体的指针，addrlen 是 addr 所指向的结构体的长度。
  • listen 函数使一个 TCP 套接字进入被动监听状态，等待客户端的连接请求。它的原型为 int listen(int sockfd, int backlog)。sockfd 是要监听的套接字描述符，backlog 参数指定同时可接纳的最大连接请求队列长度。

二、TCP 通信实现

（一）服务器端流程

1.创建套接字：socket 函数参数及返回值解析。

  • socket函数用于创建一个新的套接字，其原型为int socket(int domain, int type, int protocol)。其中，domain参数指定通信域，通常使用AF_INET表示 IPv4 地址族。type参数指定套接字类型，对于 TCP 通信，使用SOCK_STREAM表示面向连接的流套接字。protocol参数指定使用的协议，一般设置为 0，让系统自动选择与domain和type匹配的默认协议，通常为IPPROTO_TCP。如果成功创建套接字，返回一个非负整数，即套接字描述符，用于后续的套接字操作；如果失败，返回 -1，并设置全局变量errno为相应的错误代码。

2.绑定地址：sockaddr_in 结构体与 bind 函数的使用。

  • sockaddr_in结构体用于存储 IPv4 地址和端口号等信息。其成员包括sin_family（通常设置为AF_INET）、sin_port（存储端口号，需使用htons函数将主机字节序转换为网络字节序）、sin_addr（存储 IP 地址，可使用inet_addr函数将点分十进制形式的 IP 地址转换为整数形式）和sin_zero（一般用 0 填充，确保结构体大小与sockaddr结构体一致）。bind函数将一个套接字与本地地址（IP 地址和端口号）绑定，其原型为int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)。sockfd是由socket函数返回的套接字描述符，addr是一个指向sockaddr_in结构体的指针，需强制转换为const struct sockaddr *类型，addrlen是addr所指向的结构体的长度，可由sizeof计算得出。

3.监听连接：listen 函数设置被动监听状态。

  • listen函数使一个 TCP 套接字进入被动监听状态，等待客户端的连接请求。其原型为int listen(int sockfd, int backlog)。sockfd是要监听的套接字描述符，backlog参数指定同时可接纳的最大连接请求队列长度。例如，设置backlog为 10，表示服务器可以同时处理 10 个未完成的连接请求。

3.接受连接：accept 函数阻塞等待客户端连接。

  • accept函数从已连接的队列中取出一个已经建立的连接，如果没有任何连接，则进入睡眠等待（阻塞）状态。其原型为int accept(int sockfd, struct sockaddr* cliaddr, socklen_t *addrlen)。sockfd是socket监听套接字，cliaddr用于存放客户端套接字地址结构，addrlen是套接字地址结构体长度的地址。如果成功返回已连接的套接字描述符，这个新的描述符专门与指定的客户端通信；如果失败，返回 -1。

4.收发数据：read/write 函数实现数据交互。

  • 使用read函数从已连接的套接字中读取数据，其原型为ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)。fd是已连接的套接字描述符，buf是存储读取数据的缓冲区地址，count是要读取的字节数。成功返回读取的字节数，失败返回 -1。类似地，使用write函数向已连接的套接字写入数据，其原型为ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count)。fd是已连接的套接字描述符，buf是要写入数据的缓冲区地址，count是要写入的字节数。成功返回写入的字节数，失败返回 -1。

5.关闭套接字：释放资源。

  • 在服务器端完成通信后，需要关闭套接字以释放资源。可以使用close函数关闭套接字描述符，其原型为int close(int fd)。fd是要关闭的套接字描述符。关闭套接字后，操作系统将回收相关资源，避免资源泄漏。

（二）客户端流程

1.创建套接字。

  • 客户端同样使用socket函数创建一个套接字，参数与服务器端创建套接字时相同。成功创建后得到一个套接字描述符，用于后续的连接和通信操作。

2.填充服务器网络信息结构体。

  • 创建一个sockaddr_in结构体，设置其成员变量。将sin_family设置为AF_INET，表示 IPv4 地址族。使用inet_addr函数将服务器的 IP 地址转换为整数形式，并赋值给sin_addr成员。使用htons函数将服务器的端口号转换为网络字节序，并赋值给sin_port成员。

3.建立连接：connect 函数与服务器建立连接。

  • connect函数用于建立与服务器的连接，其原型为int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)。sockfd是客户端创建的套接字描述符，addr是指向服务器地址结构体的指针，addrlen是地址结构体的长度。如果连接成功，返回 0；如果失败，返回 -1，并设置相应的错误码。

4.收发数据。

  • 客户端可以使用send函数向服务器发送数据，其原型为ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags)。sockfd是已连接的套接字描述符，buf是要发送数据的缓冲区地址，len是要发送的字节数，flags通常设置为 0。成功返回发送的字节数，失败返回 -1。使用recv函数接收服务器发送的数据，其原型为ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags)。参数含义与send函数类似。成功返回接收到的字节数，失败返回 -1。如果发送端关闭文件描述符或者关闭进程，recv函数会返回 0。

5.关闭套接字。

  • 通信结束后，客户端使用close函数关闭套接字描述符，释放资源。与服务器端关闭套接字的方式相同。

三、UDP 通信实现

（一）服务器端流程

1.创建套接字。

  • 服务器端首先使用socket函数创建一个套接字，与 TCP 通信类似，其原型为int socket(int domain, int type, int protocol)。对于 UDP 通信，domain参数通常设置为AF_INET表示 IPv4 地址族，type参数设置为SOCK_DGRAM表示数据报套接字，protocol参数一般设置为 0，让系统自动选择与domain和type匹配的默认协议，通常为IPPROTO_UDP。如果成功创建套接字，返回一个非负整数，即套接字描述符，用于后续的操作；如果失败，返回 -1，并设置全局变量errno为相应的错误代码。

2.绑定地址。

  • 接着，服务器需要绑定地址，使用bind函数将套接字与本地地址（IP 地址和端口号）绑定，使得该套接字可以接收发往该地址的 UDP 数据报。其原型为int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)。sockfd是由socket函数返回的套接字描述符，addr是一个指向包含本地地址信息的sockaddr_in结构体的指针，需强制转换为const struct sockaddr *类型。sockaddr_in结构体用于存储 IPv4 地址和端口号等信息，成员sin_family设置为AF_INET，sin_port存储端口号，需使用htons函数将主机字节序转换为网络字节序，sin_addr存储 IP 地址，可使用inet_addr函数将点分十进制形式的 IP 地址转换为整数形式，sin_zero一般用 0 填充，确保结构体大小与sockaddr结构体一致。addrlen是addr所指向的结构体的长度，可由sizeof计算得出。

3.接收数据：recvfrom 函数获取数据及来源地址。

  • 使用recvfrom函数接收 UDP 数据报，并获取数据的来源地址信息。其原型为ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen)。sockfd是套接字描述符，buf是存储接收数据的缓冲区地址，len是缓冲区的长度，flags一般设置为 0，src_addr是一个指向sockaddr结构体的指针，用于存储数据来源的地址信息，addrlen是一个指向socklen_t类型变量的指针，用于存储src_addr所指向的结构体的长度。成功时，recvfrom函数返回实际接收的字节数；失败时，返回 -1，并设置errno为相应的错误代码。

4.发送数据：sendto 函数发送数据至指定地址。

  • 当服务器需要回复客户端时，可以使用sendto函数发送数据至指定地址。其原型为ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen)。sockfd是套接字描述符，buf是要发送数据的缓冲区地址，len是要发送数据的长度，flags一般设置为 0，dest_addr是一个指向sockaddr结构体的指针，包含目标地址信息，addrlen是dest_addr所指向的结构体的长度。成功时，sendto函数返回实际发送的字节数；失败时，返回 -1，并设置errno为相应的错误代码。

5.关闭套接字。

  • 通信结束后，服务器使用close函数关闭套接字描述符，释放资源。其原型为int close(int fd)，fd是要关闭的套接字描述符。关闭套接字后，操作系统将回收相关资源，避免资源泄漏。

（二）客户端流程

1.创建套接字。

  • 客户端同样使用socket函数创建一个套接字，参数与服务器端创建套接字时相同，用于 UDP 通信。成功创建后得到一个套接字描述符，用于后续的发送和接收操作。

2.发送数据：sendto 函数向服务器发送数据。

  • 客户端使用sendto函数向服务器发送数据。其参数与服务器端发送数据时的参数类似，sockfd是客户端创建的套接字描述符，buf是要发送数据的缓冲区地址，len是要发送数据的长度，flags一般设置为 0，dest_addr是一个指向sockaddr结构体的指针，包含服务器的地址信息，addrlen是dest_addr所指向的结构体的长度。成功时，sendto函数返回实际发送的字节数；失败时，返回 -1，并设置errno为相应的错误代码。

3.接收数据：recvfrom 函数接收服务器返回的数据。

  • 客户端使用recvfrom函数接收服务器返回的数据。其参数与服务器端接收数据时的参数类似，sockfd是套接字描述符，buf是存储接收数据的缓冲区地址，len是缓冲区的长度，flags一般设置为 0，src_addr是一个指向sockaddr结构体的指针，用于存储数据来源的地址信息（在客户端通常不需要关注这个地址，因为数据来源通常只有服务器），addrlen是一个指向socklen_t类型变量的指针，用于存储src_addr所指向的结构体的长度。成功时，recvfrom函数返回实际接收的字节数；失败时，返回 -1，并设置errno为相应的错误代码。

4.关闭套接字。

  • 通信结束后，客户端使用close函数关闭套接字描述符，释放资源，与服务器端关闭套接字的方式相同。

四、通用通信代码库封装

（一）封装思路与结构

在 C 语言中，为了实现 TCP 和 UDP 的通用通信代码库封装，我们采用了结构体和一系列函数的方式。结构体 Network 定义了通信所需的关键元素，包括通信协议类型、套接字描述符、通讯地址、通讯地址字节数以及是否为服务端的标志。这个结构体的设计使得我们可以在不同的通信场景中，无论是 TCP 还是 UDP，都能够方便地管理和操作通信对象。

通过封装一系列功能函数，我们将复杂的网络通信操作进行了抽象和简化。每个函数都有明确的职责，分别负责创建和初始化网络对象、等待连接、发送和接收数据、关闭套接字以及获取 IP 地址等操作。这种封装思路使得代码更加模块化、易于维护和扩展，同时也提高了代码的可读性和可重用性。

（二）函数声明

cpp 复制代码 
#ifndef NETWORK_H
#define NETWORK_H

#include <netinet/in.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

typedef struct NetWork
{
	int type;		//通信协议类型
	int sock_fd;	//socket描述符
	struct sockaddr_in addr;//通信地址
	socklen_t addrlen;		//通信地址字节数
	bool issvr;		//是否是服务器
}NetWork;

typedef struct sockaddr* SP;

//分配内存，创建socket套接字，初始化地址，绑定，监听，连接
NetWork* init_nw(int type,short port,const char* ip,bool issvr);

//等待连接，只有tcp协议的服务端才能调用
NetWork* accept_nw(NetWork* svr_nw);

//具备send和sendto的功能
int send_nw(NetWork* nw,void* buf,size_t len);

//具备recv和recvfrom的功能
int recv_nw(NetWork* nw,void* buf,size_t len);

//关闭socket对象，并释放内存
void close_nw(NetWork* nw);

//获取ip地址
const char* getip_nw(NetWork* nw);


#endif//NETWORK_H

（三）函数声明详解

一、功能概述

这个头文件定义了一个用于网络通信的结构体NetWork和一系列与之相关的函数。它提供了创建网络连接、发送和接收数据、关闭连接以及获取 IP 地址等功能。

二、结构体定义

  1. NetWork结构体：
    • type：表示通信协议类型，可能是SOCK_STREAM（TCP）或SOCK_DGRAM（UDP）等。
    • sock_fd：socket 描述符，用于标识一个网络连接。
    • addr：sockaddr_in结构体，包含了 IP 地址和端口号等通信地址信息。
    • addrlen：通信地址的字节数。
    • issvr：表示是否是服务器端。

三、函数声明

  1. init_nw：

    • 功能：分配内存，创建 socket 套接字，初始化地址，根据传入的参数进行绑定（如果是服务器端）或连接（如果是客户端）操作。
    • 参数：
      • type：通信协议类型。
      • port：端口号。
      • ip：IP 地址字符串。
      • issvr：是否是服务器端的标志。
    • 返回值：指向NetWork结构体的指针，如果创建失败则返回NULL。

  2. accept_nw：

    • 功能：只有在 TCP 协议的服务器端才能调用，用于等待客户端的连接请求，并返回一个新的NetWork结构体指针表示与客户端的连接。
    • 参数：NetWork* svr_nw，指向服务器端的NetWork结构体指针。
    • 返回值：指向新的NetWork结构体的指针，如果接受连接失败则返回NULL。

  3. send_nw：

    • 功能：具备send（用于面向连接的通信）和sendto（用于无连接的通信）的功能，根据通信协议类型发送数据。
    • 参数：
      • NetWork* nw：指向要发送数据的连接的NetWork结构体指针。
      • buf：指向要发送数据的缓冲区的指针。
      • len：要发送数据的长度。
    • 返回值：实际发送的字节数，如果发送失败则返回 -1。

  4. recv_nw：

    • 功能：具备recv（用于面向连接的通信）和recvfrom（用于无连接的通信）的功能，根据通信协议类型接收数据。
    • 参数：
      • NetWork* nw：指向要接收数据的连接的NetWork结构体指针。
      • buf：指向接收数据的缓冲区的指针。
      • len：接收缓冲区的长度。
    • 返回值：实际接收的字节数，如果接收失败则返回 -1。

  5. close_nw：

    • 功能：关闭 socket 对象，并释放与之相关的内存。
    • 参数：NetWork* nw，指向要关闭的连接的NetWork结构体指针。

  6. getip_nw：

    • 功能：获取指定连接的 IP 地址。
    • 参数：NetWork* nw，指向要获取 IP 地址的连接的NetWork结构体指针。
    • 返回值：指向 IP 地址字符串的常量指针。

四、注意事项

  1. 在使用这些函数时，需要确保正确包含了所需的头文件，并处理可能出现的错误情况。例如，在创建 socket 时可能会失败，发送和接收数据时可能会遇到网络问题等。
  2. 对于服务器端，需要先调用init_nw创建服务器连接，然后调用listen（如果是 TCP 协议）等待客户端连接，并使用accept_nw接受连接请求。对于客户端，只需要调用init_nw进行连接即可。
  3. 在使用完网络连接后，一定要调用close_nw关闭连接并释放资源，以避免资源泄漏。

（四）函数定义

cpp 复制代码 
#include "network.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

//分配内存，创建socket套接字，初始化地址，绑定，监听，连接
NetWork* init_nw(int type,short port,const char* ip,bool issvr)
{
    // 分配内存创建一个 NetWork 结构体指针 nw
    NetWork* nw = malloc(sizeof(NetWork));
    // 设置 nw 的通信协议类型和是否为服务器端标志
    nw->type = type;
    nw->issvr = issvr;
    // 创建 socket 套接字
    nw->sock_fd = socket(AF_INET,type,0);
    if(nw->sock_fd<0)
    {
        // 如果创建失败，释放内存并返回 NULL
        free(nw);
        perror("socket");
        return NULL;
    }
    // 初始化地址结构体
    bzero(&nw->addr,nw->addrlen);
    // 准备通信地址
    nw->addr.sin_family = AF_INET;
    nw->addr.sin_port = htons(port);
    // 将 IP 地址字符串转换为网络地址格式
    nw->addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
    nw->addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);

    if(issvr)
    {
        // 如果是服务器端，进行绑定操作
        if(bind(nw->sock_fd,(SP)&nw->addr,nw->addrlen))
        {
            // 如果绑定失败，释放内存并返回 NULL
            free(nw);
            perror("bind");
            return NULL;
        }
        // 如果是 TCP 协议的服务器端，进行监听操作
        if(SOCK_STREAM == type && listen(nw->sock_fd,50))
        {
            free(nw);
            perror("listen");
            return NULL;
        }
    }
    else if(SOCK_STREAM == type)//TCP 客户端
    {
        // 如果是 TCP 客户端，进行连接操作
        if(connect(nw->sock_fd,(SP)&nw->addr,nw->addrlen))
        {
            free(nw);
            perror("connect");
            return NULL;
        }
    }

    return nw;
}

//等待连接，只有 tcp 协议的服务端才能调用
NetWork* accept_nw(NetWork* svr_nw)
{
    if(SOCK_STREAM!= svr_nw->type||!svr_nw->issvr)
    {
        // 如果输入的不是 TCP 协议的服务器端，打印错误信息并返回 NULL
        printf("只有 TCP 协议且为服务器端的 NetWork 对象才能调用\n");
        return NULL;
    }
    // 为新的 NetWork 分配内存并初始化
    NetWork* nw = malloc(sizeof(NetWork));
    nw->addrlen = svr_nw->addrlen;
    nw->type = SOCK_STREAM;
    nw->issvr = true;

    // 接受客户端连接
    nw->sock_fd = accept(svr_nw->sock_fd,(SP)&nw->addr,&nw->addrlen);
    if(nw->sock_fd < 0)
    {
        // 如果接受连接失败，释放内存并返回 NULL
        free(nw);
        perror("accept");
        return NULL;
    }
    return nw;
}

//具备 send 和 sendto 的功能
int send_nw(NetWork* nw,void* buf,size_t len)
{
    if(nw->type == SOCK_DGRAM)
    {
        // 如果是 UDP 协议，调用 sendto 函数发送数据
        return sendto(nw->sock_fd,buf,len,0,(SP)&nw->addr,nw->addrlen);
    }
    else
    {
        // 如果是 TCP 协议，调用 send 函数发送数据
        return send(nw->sock_fd,buf,len,0);
    }
}

//具备 recv 和 recvfrom 的功能
int recv_nw(NetWork* nw,void* buf,size_t len)
{
    if(nw->type == SOCK_DGRAM)
    {
        // 如果是 UDP 协议，调用 recvfrom 函数接收数据
        return recvfrom(nw->sock_fd,buf,len,0,(SP)&nw->addr,&nw->addrlen);
    }
    else
    {
        // 如果是 TCP 协议，调用 recv 函数接收数据
        return recv(nw->sock_fd,buf,len,0);
    }
}

//关闭 socket 对象，并释放内存
void close_nw(NetWork* nw)
{
    // 关闭 socket 描述符
    close(nw->sock_fd);
    // 释放内存
    free(nw);
}

//获取 ip 地址
const char* getip_nw(NetWork* nw)
{
    // 将网络地址转换为 IP 地址字符串并返回
    return inet_ntoa(nw->addr.sin_addr);
}
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