【计算机网络】Socket网络编程

目录

一、主机字节序列和网络字节序列

二、套接字地址结构

[1、IPv4 地址结构 (sockaddr_in)](#1、IPv4 地址结构 (sockaddr_in))

[2、IPv6 地址结构 (sockaddr_in6)](#2、IPv6 地址结构 (sockaddr_in6))

3、通用套接字地址结构 (sockaddr)

4、Unix域套接字地址结构 (sockaddr_un)

[5、专用 socket 地址结构](#5、专用 socket 地址结构)

6、套接字地址结构的转换

字符串转二进制地址

二进制地址转字符串

7、端口号的转换

三、网络编程接口

socket

bind

listen

accept

[TCP 数据读写：](#TCP 数据读写：)

[UDP 数据读写：](#UDP 数据读写：)

close

connect

四、TCP编程流程

代码示例：

服务端

客户端

---

一、主机字节序列和网络字节序列

主机字节序列（Host Byte Order）指的是计算机在内存中存储多字节数据时的顺序。分为大端字节序和小端字节序，不同的主机采用的字节序列可能不同。

• 大端字节序是指一个整数的高位字节存储在内存的低地址处，低位字节存储在内存的高地址处。
• 小端字节序则是指整数的高位字节存储在内存的高地址处，而低位字节则存储在内存的低地址处。

在两台使用不同字节序的主机之间传递数据时，可能会出现冲突。所以，在将数据发送到网络时规定整形数据使用大端字节序，所以也把大端字节序成为网络字节序列。对方接收到数据后，可以根据自己的字节序进行转换。

Linux 系统提供如下 4 个函数来完成主机字节序和网络字节序之间的转换：

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

uint32_t htonl(uint32_t hostlong); // 主机到网络（长整型）长整型的主机字节序转网络字节序
uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 主机到网络（短整型）短整形的主机字节序转网络字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);   // 网络到主机（长整型）长整型的网络字节序转主机字节序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);  // 网络到主机（短整型）短整型的网络字节序转主机字节序
 

不同架构的处理器可能使用不同的字节序。x86架构通常是小端序，而网络协议（如TCP/IP）要求使用大端序。因此，跨平台通信时必须进行字节序转换。

二、套接字地址结构

套接字地址结构用于在网络编程中存储通信所需的地址信息。常见的套接字地址结构包括IPv4、IPv6和Unix域套接字地址结构。

1、IPv4 地址结构 (sockaddr_in)

IPv4套接字地址结构定义在<netinet/in.h>中，用于存储IPv4地址和端口号。

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; // 地址族，如AF_INET
    in_port_t      sin_port;   // 16位端口号，网络字节序
    struct in_addr sin_addr;   // 32位IPv4地址，网络字节序
    char           sin_zero[8]; // 填充字段，通常置零
};

struct in_addr {
    uint32_t s_addr; // IPv4地址，网络字节序
};

2、IPv6 地址结构 (sockaddr_in6)

IPv6套接字地址结构用于存储IPv6地址和端口号。

struct sockaddr_in6 {
    sa_family_t     sin6_family;   // 地址族，如AF_INET6
    in_port_t       sin6_port;     // 16位端口号，网络字节序
    uint32_t        sin6_flowinfo; // 流信息
    struct in6_addr sin6_addr;     // 128位IPv6地址，网络字节序
    uint32_t        sin6_scope_id; // 范围ID
};

struct in6_addr {
    unsigned char s6_addr[16]; // IPv6地址，网络字节序
};

3、通用套接字地址结构 (sockaddr)

socket 网络编程接口中表示 socket 地址的是结构体 sockaddr，通用套接字地址结构用于在函数参数中传递不同类型的地址结构。其定义如下：

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family; // 地址族
    char        sa_data[14]; // 协议地址
};

sa_family 成员是地址族类型（sa_family_t）的变量。地址族类型通常与协议族类型对应。常见的协议族和对应的地址族如下图所示：

4、Unix域套接字地址结构 (sockaddr_un)

Unix域套接字用于本地进程间通信，其地址结构定义在<sys/un.h>中。

struct sockaddr_un {
    sa_family_t sun_family; // 地址族，AF_UNIX
    char        sun_path[108]; // 文件路径名
};

5、专用 socket 地址结构

TCP/IP 协议族有 sockaddr_in 和 sockaddr_in6 两个专用 socket 地址结构体，它们分别用于 IPV4 和 IPV6：

/*
sin_family: 地址族 AF_INET
sin_port: 端口号，需要用网络字节序表示
sin_addr: IPV4 地址结构：s_addr 以网络字节序表示 IPV4 地址
*/

struct in_addr{
    u_int32_t s_addr;
};
struct sockaddr_in{
    sa_family_t sin_family;
    u_int16_t sin_port;
    struct in_addr sin_addr;
};
struct in6_addr{
    unsigned char sa_addr[16]; // IPV6 地址，要用网络字节序表示
};
struct sockaddr_in6{
    sa_family_t sin6_family; // 地址族：AF_INET6
    u_inet16_t sin6_port; // 端口号：用网络字节序表示
    u_int32_t sin6_flowinfo; // 流信息，应设置为 0
    struct in6_addr sin6_addr; // IPV6 地址结构体
    u_int32_t sin6_scope_id; // scope ID，尚处于试验阶段
};

6、套接字地址结构的转换

在网络编程中，通常需要将人类可读的IP地址和端口号转换为网络字节序的二进制形式。

字符串转二进制地址

使用inet_pton函数将点分十进制字符串转换为二进制地址。

#include <arpa/inet.h>

const char *ip_str = "192.168.1.1";
struct in_addr addr;
inet_pton(AF_INET, ip_str, &addr);

二进制地址转字符串

使用inet_ntop函数将二进制地址转换为点分十进制字符串。

char ip_str[INET_ADDRSTRLEN];
inet_ntop(AF_INET, &addr, ip_str, INET_ADDRSTRLEN);

7、端口号的转换

端口号需要转换为网络字节序（大端序）后使用。

#include <arpa/inet.h>

uint16_t port = 8080;
uint16_t net_port = htons(port); // 主机字节序转网络字节序
uint16_t host_port = ntohs(net_port); // 网络字节序转主机字节序

三、网络编程接口

网络编程接口（API，Application Programming Interface）是不同软件系统间进行通信和数据交换的标准化方式。通过网络API，开发者可以调用远程服务、获取数据或执行特定操作，而无需了解底层实现细节。

socket

socket()创建套接字，成功返回套接字的文件描述符，失败返回-1

domain: 设置套接字的协议簇， AF_UNIX AF_INET AF_INET6 ；type: 设置套接字的服务类型 SOCK_STREAM SOCK_DGRAM ；protocol: 一般设置为 0，表示使用默认协议

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

bind

bind()将 sockfd 与一个 socket 地址绑定，成功返回 0，失败返回-1

sockfd 是网络套接字描述符 ；addr 是地址结构 ；addrlen 是 socket 地址的长度

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

listen

listen()创建一个监听队列以存储待处理的客户连接，成功返回 0，失败返回-1

sockfd 是被监听的 socket 套接字 ；backlog 表示处于完全连接状态的 socket 的上限

int listen(int sockfd, int backlog);

accept

accept()从 listen 监听队列中接收一个连接，成功返回一个新的连接 socket,该 socket 唯一地标识了被接收的这个连接，失败返回-1

sockfd 是执行过 listen 系统调用的监听 socket ；addr 参数用来获取被接受连接的远端 socket 地址 ；addrlen 指定该 socket 地址的长度

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

TCP 数据读写：

recv()读取 sockfd 上的数据，buff 和 len 参数分别指定读缓冲区的位置和大小

send()往 socket 上写入数据，buff 和 len 参数分别指定写缓冲区的位置和数据长度

flags 参数为数据收发提供了额外的控制

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

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

UDP 数据读写：

recvfrom()读取 sockfd 上的数据，buff 和 len 参数分别指定读缓冲区的位置和大小

src_addr 记录发送端的 socket 地址 ；addrlen 指定该地址的长度 ；sendto()往 socket 上写入数据，buff 和 len 参数分别指定写缓冲区的位置和数据长度 ；dest_addr 指定接收数据端的 socket 地址 ；addrlen 指定该地址的长度

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buff, size_t len, int flags,

struct sockaddr* src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t sendto(int sockfd, void *buff, size_t len, int flags,

struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen);

close

close()关闭一个连接，实际上就是关闭该连接对应的 socket

int close(int sockfd);

connect

connect()客户端需要通过此系统调用来主动与服务器建立连接，成功返回 0，失败返回-1

sockfd 参数是由 socket()返回的一个 socket。 serv_addr 是服务器监听的 socket 地址 ；addrlen 则指定这个地址的长度

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

四、TCP编程流程

TCP 提供的是面向连接的、可靠的、字节流服务。TCP 的服务器端和客户端编程流程如下：

• socket()方法是用来创建一个套接字，有了套接字就可以通过网络进行数据的收发。这也是为什么进行网络通信的程序首先要创建一个套接字。创建套接字时要指定使用的服务类型，使用 TCP 协议选择流式服务（SOCK_STREAM）。
• bind()方法是用来指定套接字使用的 IP 地址和端口。IP 地址就是自己主机的地址，如果主机没有接入网络，测试程序时可以使用回环地址"127.0.0.1"。端口是一个 16 位的整形值，一般 0-1024 为知名端口，如 HTTP 使用的 80 号端口。这类端口一般用户不能随便使用。其次，1024-4096 为保留端口，用户一般也不使用。4096 以上为临时端口，用户可以使用。在Linux 上，1024 以内的端口号，只有 root 用户可以使用。
• listen()方法是用来创建监听队列。监听队列有两种，一个是存放未完成三次握手的连接，一种是存放已完成三次握手的连接。listen()第二个参数就是指定已完成三次握手队列的长度。
• accept()处理存放在 listen 创建的已完成三次握手的队列中的连接。每处理一个连接，则accept()返回该连接对应的套接字描述符。如果该队列为空，则 accept 阻塞。
• connect()方法一般由客户端程序执行，需要指定连接的服务器端的 IP 地址和端口。该方法执行后，会进行三次握手， 建立连接。
• send()方法用来向 TCP 连接的对端发送数据。send()执行成功，只能说明将数据成功写入到发送端的发送缓冲区中，并不能说明数据已经发送到了对端。send()的返回值为实际写入到发送缓冲区中的数据长度。
• recv()方法用来接收 TCP 连接的对端发送来的数据。recv()从本端的接收缓冲区中读取数据，如果接收缓冲区中没有数据，则 recv()方法会阻塞。返回值是实际读到的字节数，如果 recv()返回值为 0， 说明对方已经关闭了 TCP 连接。
• close()方法用来关闭 TCP 连接。此时，会进行四次挥手。

代码示例：

服务端

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

int main(){
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    /*创建套接字,tcp协议
    返回值为文件描述符，0标准输入，1标准输出，2标准错误输出，3=sockfd；
    参数为地址图、服务类型（tcp为流式服、udp为数据报表）、恒为0
    */
    if( sockfd == -1 ){
        exit(1);
    }
    struct sockaddr_in saddr;//定义ipv4专用的地址结构
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));//清空，参数为套接字地址，0，套接字大小
    saddr.sin_family = AF_INET;//填充地址图
    saddr.sin_port = htons(6000);//填充端口，大端，主机字节序列转为网络字节序列，
    //1024以内知名端口，root；1024-4096保留端口一般不用；4096以上为临时端口，随便用
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");//ip地址，转为无符号整型
    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    /*绑定，设置ip和端口
    参数为:指定地址的的套接字，地址，地址结构大小
    */
    if( res == -1){
        printf("bind err\n");
        exit(1);
    }
    res = listen(sockfd,5);
    /*创建监听队列，存放客户端发送来的链接请求
    参数为：套接字对应的描述符，整数值：监听大小
    创建两个监听队列，一个是存放未完成三次握手的连接，一种是存放已完成三次握手的连接。
    listen()第二个参数在linux就是指定已完成三次握手队列的长度，在unix上是表示已完成+未完成。
    accept()处理已完成三次握手的连接
    */
    if( res == -1){
        exit(1);
    }
    while( 1 ){
        struct sockaddr_in caddr;//记录客户端地址
        socklen_t len = sizeof(caddr);//计算大小
        int c = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
        /*接受套接字，阻塞
        参数为（接收套接字，存放客户端地址的套接字，指针）
        */
        printf("c=%d,ip:%s,port=%d\n",c,inet_ntoa(caddr.sin_addr),ntohs(caddr.sin_port));
        //ip转化为点分十进制的字符串，端口将网络字节序列转化为主机字节序列
        while( 1 ){
            char buff[128] = {0};
            int num = recv(c,buff,127,0);//read
             if( num <= 0 ){// n==0 对方关闭,n==-1,失败
                break;
            }
            printf("buff=%s\n",buff);//接收之后，打印
            send(c,"ok",2,0);//write，描述符，带发送的数据，大小，标志位
        }
        printf("client close\n");
        close(c);
    }
    close(sockfd);
    exit(0);
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建套接字
    if( sockfd == -1){
        exit(1);
    }
    struct sockaddr_in saddr;//ipv4地址
    bzero(&saddr, sizeof(saddr)); //memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6000);//因为服务器用的是6000
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");//ip
    int res = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    if( res == -1){
        printf("connect err\n");
        exit(1);
    }
    while(1){
        char buff[128] = {0};
        printf("input:\n");
        fgets(buff,128,stdin);//从键盘获取数据
        if(strncmp(buff,"end",3)==0){
            break;
        }
        send(sockfd,buff,strlen(buff)-1,0);
        memset(buff,0,128);
        recv(sockfd,buff,127,0);
        printf("buff=%s\n",buff);
    }
    close(sockfd);
    exit(0);
}

执行结果：