计算机网络第二课 ----Socket（套接字）编程预备

作者前言

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Socket编程

**作者前言**
Socket编程预备概念
- 数据传输到主机是⽬的吗
- 认识端⼝号（传输层的内容）
- [端口号VS 进程PID](#端口号VS 进程PID)
- 源端口号和目的端口号
- 端口划分
- 理解socket
- 认识TCP协议
- 认识UDP协议
- 网络字节序
socket（套接字）
- sockaddr结构

Socket编程预备概念

数据传输到主机是⽬的吗

进程是⼈在系统中的代表，只要把数据给进程，⼈就相当于就拿到了数据。

数据传输到主机不是⽬的，⽽是⼿段。到达主机内部，在交给主机内的进程 ，才是**⽬的**。

我们的上网行为无非就是两种：获取数据或者上传数据，如图：

网络通信的：就是让两个不同的主机进程进行数据交换，本质就是进程间的通信 。

让不同的进程进行通信，就需要先看到同一份资源，这个资源就是网络，前面学的进程间的通信是在同一台主机内，这里的则是两个不同主机的进程

认识端⼝号（传输层的内容）

在一台主机系统中，同时会存在⾮常多的进程，当数据到达⽬标主机之后，怎么转发给⽬标进程？

那么就需要在系统中，标识主机的网络进程唯⼀性。这个就是端口号

端口号的认识：

端⼝号是⼀个 2 字节 16 位的整数;
端⼝号⽤来标识⼀个进程, 告诉操作系统, 当前的这个数据要交给哪⼀个进程来处理;
IP地址 + 端⼝号能够标识⽹络上的某⼀台主机的某⼀个进程;
⼀个端⼝号只能被⼀个进程占⽤，⼀个进程可以绑定多个端⼝号。
端口号是标识主机内唯一的一个网络进程

如图：

端口号怎么和进程绑定，目前我们可以理解为在传输层中会维护一个哈希表，端口号就是这个哈希表的关键码，就可以查看对应的进程。

端口号VS 进程PID

不是所有的进程都要进行网络通信
使用端口号而不使用PID，是为了和操作系统解耦合。

源端口号和目的端口号

传输层协议的数据段中有两个端⼝号, 分别叫做源端⼝号和⽬的端⼝号. 就是在描述 "数据是谁发的, 要发给谁";

端口划分

0 - 1023 : 知名端⼝号, HTTP, FTP, SSH 等这些⼴为使⽤的应⽤层协议, 他们的端⼝号都是固定的.
1024 - 65535 : 操作系统动态分配的端⼝号. 客⼾端程序的端⼝号, 就是由操作系统从这个范围分配的.

理解socket

IP地址 + 端口号：可以标识全网中唯一的网络进程

源IP + 源端口 = 源主机的唯一的网络进程

目标IP + 目的端口 = 目的主机的唯一的网络进程

总结：socket = IP + prot（端口）

认识TCP协议

TCP协议有如下特点：

• 传输层协议

• 有连接

• 可靠传输

• ⾯向字节流

认识UDP协议

UDP协议有如下特点：

• 传输层协议

• ⽆连接

• 不可靠传输

• ⾯向数据报

网络字节序

我们知道数据在内存的存储是会区分大小端的，大端：低权值数据存储在高地址处。小端：低权值据存储在低地址处。如图：

假设主机A是小端存储，主机B是大端存储，A发送数据给B，B就会把数据解析为大端，这样就把数据搞反了。

所以就有了：

TCP/IP协议规定,⽹络数据流应采⽤⼤端字节序,即低地址⾼字节，如果当前发送主机是⼩端, 就需要先将数据转成⼤端。

⽹络数据流的地址应这样规定:先发出的数据是低地址,后发出的数据是⾼地址.

系统也会提供对应的库函数，把主机字节序转换为网络字节序，接口如下：

h 表⽰ host , n 表⽰ network , l 表⽰ 32 位⻓整数, s 表⽰ 16 位短整

数。

总结： 所有发送到⽹络上的数据，都必须是⼤端的！

socket（套接字）

网络通信的本质就是进程间的通信。

前面学的system V 就是本地的进程间的通信，而socket采用的是posix标准，posix标准不仅可以网络进程间通信，还可以本地进程间通信，为此就会有不同种类的socket，也就意味着需要实现多种不一样的socket接口，但是设计者就想实现一种通信接口，不仅可以本地通信，也可以网络通信。

sockaddr结构

socket常见的一些接口：

cpp 复制代码

// 创建 socket ⽂件描述符 (TCP/UDP, 客⼾端 + 服务器)
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, 客⼾端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

其中sockaddr结构如下：

设计者会设置出三个结构体，如果要进行网络通信，就创建 struct sockaddr_in,如果要进行本地通信，就创建 struct sockaddr_un,而结构体sockaddr就是接口传入参数类型。为啥要设置这个结构体

原因如下：

当进行本地通信或者网络通信的时候只需要struct sockaddr_in变量地址 或者 struct sockaddr_un变量地址 强转为 struct sockaddr*类型，
接口内部就进行判断sockaddr的前两个字节地址类型是AF_INET或者AF_UNIX就会强转为对应的结构体地址类型，这个就是C++继承和多态的原理。传参就是切片

其中sockaddr_in在头文件<netinet/in.h>中，源码如下：

cpp 复制代码

typedef unsigned short int sa_family_t;
 #define	__SOCKADDR_COMMON(sa_prefix) \
  sa_family_t sa_prefix##family
  
 typedef uint16_t in_port_t;
 
 typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
  {
    in_addr_t s_addr;
  };
struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_); // 变量名为sin_family
    in_port_t sin_port;		//16bit端口号
    struct in_addr sin_addr; //32位bit的ip地址

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