TCP网络编程基础

一、套接字地址结构

socket编程需要指定socket地址，不同的协议族有不同的地址定义方式以及由此带来的结构上的差异。这些地址结构的名称形如sockaddr_xxx。每个协议族都有一个唯一的后缀。例如，对于以太网，其结构为sockaddr_in。

（一）通用套接字数据结构

sa_family_t 是一个用于表示地址族（Address Family）的数据类型，在网络编程中用于标识套接字所使用的协议类型。sa_family_t 的具体定义如下：

• ‌类型定义 ‌：sa_family_t 通常被定义为 unsigned short int（无符号短整型），占用 2 个字节。‌

• ‌作用 ‌：该类型用于结构体（如 struct sockaddr、struct sockaddr_in、struct sockaddr_in6 等）中的 sa_family 成员，以指定地址族的类型。‌

• ‌常见取值 ‌：

  • AF_INET：表示 IPv4 协议族。
  • AF_INET6：表示 IPv6 协议族。
  • AF_UNIX 或 AF_LOCAL：表示本地域套接字（用于同一台机器上的进程间通信）。‌

例如，在 IPv4 套接字地址结构 struct sockaddr_in 中，sin_family 成员即为 sa_family_t 类型，用于标识该地址为 IPv4 地址。‌

此外，sa_family_t 的设计使得网络函数（如 bind()、connect()）能够通过该字段判断传入地址结构的具体类型，并进行相应的类型转换处理。‌

（二）IPV4套接字数据结构

（三）sockaddr和sockaddr_in的关系

sockaddr 和 sockaddr_in 是网络编程中用于表示网络地址的两个关键结构体，它们的关系可以概括为：‌**sockaddr_in 是 sockaddr 的一个具体实现，专门用于 IPv4 地址。**‌

简单来说，sockaddr 是一个通用的地址容器，而 sockaddr_in 是为 IPv4 协议量身定制的、更具体的地址结构。

1‌.通用 vs. 具体‌

• ‌**sockaddr** ‌：这是一个‌通用 ‌的套接字地址结构体，定义在 <sys/socket.h> 中。它的设计初衷是能容纳各种类型的网络地址（如 IPv4、IPv6、Unix 域套接字等）。它只有两个字段：sa_family（地址族，如 AF_INET 表示 IPv4）和 sa_data（14字节的协议特定地址数据）。由于 sa_data 是一个不透明的字节数组，直接使用它来设置 IP 地址和端口非常不方便。

• ‌**sockaddr_in** ‌：这是一个‌具体 ‌的结构体，定义在 <netinet/in.h> 中，专门用于表示 IPv4 地址。它包含了清晰、易用的字段：sin_family（固定为 AF_INET）、sin_port（端口号）、sin_addr（IP 地址结构体）和 sin_zero（填充字段）。程序员通常直接操作 sockaddr_in 来设置 IPv4 地址信息。

2‌.结构体大小‌

为了确保类型安全和兼容性，sockaddr_in 的设计保证了其总大小与 sockaddr 完全相同，都是 16 字节。sin_zero 字段（8字节）的存在就是为了填充，使两个结构体的大小一致。

‌3.使用方式‌

在实际编程中，你几乎总是直接使用 sockaddr_in 来构建 IPv4 地址信息，因为它字段清晰，易于理解和操作。然而，系统调用函数（如 bind(), connect(), accept()）的参数类型是 struct sockaddr *。因此，你需要将 sockaddr_in 结构体的指针‌强制转换 ‌为 sockaddr 指针后，再传递给这些函数。

（四）相互转换

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in my_addr;
// ... 初始化 my_addr 的 sin_family, sin_port, sin_addr 等字段 ...

// 将 sockaddr_in 转换为 sockaddr，用于系统调用
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(my_addr));

// 反向转换（例如从 accept() 获取客户端地址时）
struct sockaddr client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
accept(sockfd, &client_addr, &addr_len);

// 将获取到的 sockaddr 转换回 sockaddr_in 以便访问
struct sockaddr_in *client_in = (struct sockaddr_in *)&client_addr;
printf("Client IP: %s\n", inet_ntoa(client_in->sin_addr));
printf("Client Port: %d\n", ntohs(client_in->sin_port));

二、套接字编程流程

（一）TCP流程

（二）UDP流程

三、socket函数介绍

socket()用于创建一个套接字。

（一）函数原型

#include <sys/socket.h>
 
int socket(int domain, int type, int protocol);

（二）参数详解

1. domain (协议域/地址族)

指定套接字使用的通信协议族，决定了套接字的地址格式和通信方式。常见选项：

• AF_UNIX Unix域套接字 本地进程间通信(IPC)
• AF_INET IPv4互联网协议族 IPv4网络通信
• AF_INET6 IPv6互联网协议族 IPv6网络通信
• AF_IPX IPX协议族(已废弃) Novell网络
• AF_NETLINK 内核用户接口设备 用户与内核通信
• AF_X25 X.25协议族(已废弃) X.25网络

2. type (套接字类型)

指定套接字的通信语义类型，常见选项：

• SOCK_STREAM 面向连接的可靠字节流 TCP 双向、可靠、有序、无重复
• SOCK_DGRAM 无连接的数据报服务 UDP 不可靠、无序、可能有重复
• SOCK_RAW 原始套接字 IP 可访问底层协议头
• SOCK_SEQPACKET 面向连接的有序可靠数据报 SCTP等 类似SOCK_STREAM但保持记录边界
• SOCK_RDM 可靠交付消息 较少使用 提供可靠的消息传递

3.protocol (协议类型)

指定具体的协议，通常设置为0表示自动选择：

• IPPROTO_TCP TCP协议(通常与SOCK_STREAM配合)
• IPPROTO_UDP UDP协议(通常与SOCK_DGRAM配合)
• IPPROTO_SCTP SCTP协议

4.返回值

成功：返回一个非负整数，即套接字文件描述符(socket descriptor)

失败：返回-1，并设置errno表示具体错误，常见错误包括：

• EACCES：权限不足
• EAFNOSUPPORT：不支持指定的地址族
• EMFILE：进程打开的文件描述符过多
• ENFILE：系统全局文件描述符不足
• ENOBUFS或ENOMEM：内存不足
• EPROTONOSUPPORT：不支持指定的协议

四、TCP相关函数

（一）bind()

TCP服务端用于将用于通信的地址和端口绑定到 socket 上。函数的参数应该包含：用于通信的 socket 和服务端的 IP 地址和端口号。ip地址和端口号是放在 socketaddr_in 结构体里面的。

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

1.参数说明

• sockfd ：需要绑定的socket。
• addr ：存放了服务端用于通信的地址和端口。
• addrlen：表示 addr 结构体的大小

2.返回值

• 成功：返回 0
• 失败：返回 -1 并设置 errno

（二）listen()

#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

1.参数说明

• sockfd ：
  已绑定的套接字文件描述符（通过 socket() 创建并已调用 bind()）
• backlog ：
  等待连接队列的最大长度（内核为该套接字排队的最大连接数）

2.返回值

• 成功：返回 0
• 失败：返回 -1 并设置 errno