深入了解linux网络—— 网络编程基础

IP地址与端口号

了解了IP地址，在网络中用来表示主机的唯一性；

数据报文由源主机通过网络传输到目标主机后，目的主机拿到这个数据报文要如何处理呢？

我们使用QQ聊天、浏览器浏览网页，是如何获取消息的呢？

QQ和浏览器都是进程，也就是说只有将数据交给进程，我们才能看到这些信息。

在操作系统中存在非常多的进程，拿到的数据报文要交给哪一个进程呢？

IP地址用来标识主机的唯一性，有了IP地址才能够找到唯一的主机；

那也就势必要存在用来标识主机（操作系统）中唯一进程的标识 --------- 端口号

而在操作系统中存在非常多的进程，并不是每一个进程都要从网络中获取信息，那也就是说不是每一个进程都要有端口号。

在操作系统中要从网络中获取信息的进程才拥有唯一的端口号；

也就是说，端口号可以标识主机（操作系统）中唯一的网络进程。

端口号

端口号是一个2字节，16bit位的整数；

端口号用来标识一个进程；

IP地址 + 端口号就能够标识网络上的某一台主机的某一个进程；

一个端口号只能够被一个进程使用。

端口号范围

0-1023：知名端口号，HTTP、FTP、SSH等广为使用的应用层协议，它们端口号都是固定的；

1024-65535：操作系统动态分配的端口号；客户端程序的端口号，就是由操作系统从该范围内分配的。

端口号与进程ID

学习过操作系统，我们知道，在操作系统中pid可以用来标识唯一进程；这里的端口号也可以用来标识操作系统中的唯一进程；

进程ID属于系统的概念，也可以用来标识唯一进程；但是并没有使用进程ID来作为这里标识唯一进程的标识符；（如果使用进程ID作为这里的标识符，会让系统进程管理和网络强耦合）

此外：一个进程可以绑定多个端口号，一个端口只能绑定一个进程

源IP / 端口号和目的IP / 端口号

传输层协议(TCP和UDP)的数据段中存在两个概念：源IP/端口号、目的IP/端口号；

简单来说源IP/端口号表示的是谁发的、目的IP/端口号表示发给谁的。

在TCP/UDP编程中会遇到这两个概念。

socket 编程基础

1. socket套接字

了解了IP 和端口号，我们知道IP 可以标识网络中的唯一主机；端口号可以表示主机中的唯一进程。

所以，IP+端口号就可以标识网络中的唯一进程。

所以，只要知道srcip、srcport（源IP和源端口号）；detip、dstport（目的IP和目的端口号）就可以标识网络中唯二的两个进程。

而网络通信的本质就是：进程间通信

套接字socket ： ip + port

2. 传输层协议

了解操作系统，了解了网络协议栈，我们知道，传输层是属于操作系统内核的，那我们要通过网络协议栈进行通信，就势必要调用传输层通过的系统调用。

传输层协议主要有两种：TCP协议和UDP协议

TCP协议

有连接：在进行通信之前，通信双方必须先建立连接。

可靠传输：TCP协议能够保证数据有序、完整、无差错从发送方传到接收方。

面向字节流

UDP协议

无连接

不可靠

面向数据报

这里简单了解一个TCP、UDP协议，后序再深入研究。

3. 网络字节序

在之前学习C语言时，曾了解到内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分；

小端存储：数据的低位字节存储在内存的低地址处；高位字节存储在内存的高地址处。

大端存储：数据的低位字节存储在内存的高地址处；高位字节存储在内存的低地址处。

磁盘文件的多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端小端之分。

那通过网络通信的主机中，既有大端存储、也有小端存储。

那网络是不是要统一规定存储呢？

TCP/IP协议规定，网络数据流应采用大端字节序。即高字节低地址

所以，在将数据传输到网络前，要先进行字节序的转换（主机字节序 -> 网络字节序）；如果当前主机是小端机，就要将数据先转换为大端，再传输到网络；如果当前主机是大端机，就可以直接传输到网络。

当然，字节序的转换不需要我们自己去实现；我们可以直接调用库函数，做主机字节序和网络字节序的转换

c 复制代码

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

htonl：32位主机字节序 --> 32位网络字节序

htons：16位主机字节序 --> 16位网络字节序

ntohl：32位网络字节序 --> 32位主机字节序

ntohs：16位网络字节序 --> 16位主机字节序

如果当前主机是大端存储，这些函数就什么都不做，然后返回；

如果当前主机是小端存储，这些函数就会将参数转为对应的大小端，然后返回。

4. socket相关接口

socket常用接口：

c 复制代码

//创建套接字socket(文件描述符)
int socket(int domain, int type, int protocol);
// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);
// 开始监听 socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);
// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

这里简单了解一下socket的接口，在后续编程中详细学习。

上述就是socket常用的接口，有TCP也有UDP相关的。

我们可以发现，这些接口的绝大部分都存在struct sockaddr*的参数，那这个struct sockaddr是什么呢？

在操作系统中，除了struct sockaddr还存在struct sockaddr_in和struct sockaddr_un三种结构；

这三种结构，第一个字段都是16位地址类型，其中struct sockaddr_in的该字段是AF_INET表示网络通信；struct sockaddr_un的该字段是AF_UNIX表示本地通信。

struct sockaddr_in还存在两个字段：

16位（2字节）端口号

32位（4字节）IP地址
struct sockaddr_un用来进行本地通信，其原理类似于system V的命名管道通信。

其另外一个字段是108字节的文件名。

这里主要了解struct sockaddr_in，网络通信（也可以进行被本地通信）

那struct sockaddr_in在<netinet/in.h>的头文件下。

c 复制代码

struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port;			/* Port number.  */
    struct in_addr sin_addr;		/* Internet address.  */

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr)
			   - __SOCKADDR_COMMON_SIZE
			   - sizeof (in_port_t)
			   - sizeof (struct in_addr)];
  };

sin_port指的就是端口号，其类型是in_port_t也就是uint16_t；
struct in_addr sin_addr，表示的是IP地址；struct in_addr就是对in_addr_t的封装，而in_addr就是uint32_t。

c 复制代码

struct in_addr
  {
    in_addr_t s_addr;
  };

在struct sockaddr_in结构中，看到了IP地址(sin_addr)、也看到了端口号(sin_port)；

那第一个标志字段呢？

其标志字段就是__SOCKADDR_COMMON (sin_);

这是一个宏定义：
c 复制代码
#define	__SOCKADDR_COMMON(sa_prefix) \
sa_family_t sa_prefix##family
这个宏定义的作用就是：将传进来的字段加上family后缀，在struct sockaddr_in中进行宏替换过后就变成了sin_family（也就是标志字段）

除此之外，在struct sockaddr_in中还存在一个字段，其作用就是填充struct sockaddr_in的大小。

了解了struct sockaddr_in，但是socket相关接口其中的参数是struct sockaddr*啊，那在调用时该如何调用呢？

这里struct sockaddr、struct sockaddr_in和struct sockaddr_un中，第一个字段都是16位地址类型，也就是标志位；

所以，在调用时传参时只需要进行强制类型转换，在函数内部就可以通过第一个字段就可以判断出传进来的是struct sockaddr_in还是struct sockaddr_un；再分别执行不同的代码。

所以，这里struct sockaddr、struct sockaddr_in和struct sockaddr_un就像继承关系一样；

sockaddr是基类，sockaddr_in和sockaddr_un是派生类

通过第一个字段16位地址类型来判断是struct sockaddr_in还是struct sockaddr_un。

本篇文章到这里就结束了，感谢支持

我的博客即将同步至腾讯云开发者社区，邀请大家一同入驻：https://cloud.tencent.com/developer/support-plan?invite_code=2oul0hvapjsws