Linux网络编程 -- 网络套接字预备与udp

embedded/2024/10/17 10:37:25/

本文主要介绍网络编程的相关知识，在正式介绍网络编程之前，我们得先了解一些前置的知识。

1、端口号

我们上网其实就是两种动作，一个是将远处的数据拉取到本地，另一个是把我们的数据发送给远端。其实大部分的网络通信行为都是用户触发的，而在计算机中，谁表示用户呢？答案是进程。当用户接受到数据后，OS要将对应的数据给特定的服务进程。一台机器上有许多的服务进程，而我们用特定的端口号（port）来标识这个服务进程。

所以当我们将IP与端口号进行绑定，就可以得出互联网中的唯一一个进程了。这种方式也叫做套接字通信，服务器端和客户端的通信一般都采用这种方式。

为什么我们要用端口号来标识一个进程呢？不是有进程的pid吗？首先是因为进程的pid是不断变化的，其次如果使用pid的话，网络服务就和操作系统进行强关联了。此时如果我们修改一下操作系统对进程的标识方式，那么对上层的网络服务也需要进行大幅修改。另外OS中并不是每个进程都有端口号的，一般只有网络进程才有端口号。端口号和进程pid在OS会通过特定数据结构关联起来，例如哈希表。

2、TCP和UDP协议

在正式开始介绍网络编程之前，我们先简单了解一下UDP和TCP协议(后面具体介绍)

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是互联网上用于数据传输的两种重要协议，它们的主要区别在于以下几个方面：

  1. 连接性：

    • TCP 是面向连接的协议，意味着在数据传输之前，需要建立一个连接，在传输完成后需要断开连接。
    • UDP 是无连接的，它发送数据之前不需要建立连接，数据可以直接发送给接收方。

  2. 可靠性：

    • TCP 提供了可靠的服务。它确保数据包的顺序传输，并且通过确认和重传机制保证数据的完整性。
    • UDP 不保证数据的可靠传输，它只负责发送数据，不保证数据包的顺序或是否到达。

  3. 速度与效率：

    • TCP 由于其可靠性机制，速度相对较慢，因为它需要时间来建立连接、确认数据包和进行重传。
    • UDP 由于没有这些机制，通常更快，适用于对实时性要求较高的应用，如视频会议和在线游戏。

  4. 数据流控制：

    • TCP 有流量控制和拥塞控制机制，可以根据网络状况调整数据传输的速度。
    • UDP 没有这样的控制机制，发送速率不会因网络状况而改变。

  5. 用途：

    • TCP 常用于要求高可靠性的应用，如网页浏览、电子邮件和文件传输。
    • UDP 常用于实时应用，如流媒体、VoIP（网络电话）和在线游戏，这些应用对速度的要求高于数据完整性。

  6. 头部开销：

    • TCP 头部较大，因为它需要包含更多的信息来保证数据的可靠传输。
    • UDP 头部较小，处理起来更快，开销更小

这里只是简单介绍，看不懂没有关系，有个基础概念即可。

 3、网络字节序

在我们机器中，分为大端机和小端机，当我们在网络进行传输时，可能会面临大端机向小端机传输数据的情况。此时接受方读取数据时就可能会出现异常，所以这里统一将网络的数据定为大端。但是每次都要我们手动对数据进行大小端的转换未免太过麻烦，所以系统为我们提供特定的接口统一转换，后续会对其进行介绍。

4、接口预备知识

socket编程，是有很多的种类，有的是专门用来本地通信的（Unix socket），有的是用来跨网络进行通信的(inet socket)，有的是用来进行网络管理的(raw socket )。这些套接字类型非常多，为了减少学习的成本，linux编写者就决定让这些套接字使用统一的接口。而OS是由C语言进行编写的，涉及到统一类型的问题就必须和结构体相关联。其中有关套接字的结构体常见有三种。

 我们常用的类型是struct sockaddr，但实际上我们用于存储数据的结构体是struct sockadd_in和struct sockaddr_un。与网络编程相关的接口都使用的是sockaddr结构体，所以我们需要先用sockaddr_in结构体存储数据，然后强转成sockaddr结构。这种特性和C++多态非常类似。这里我们着重关注sockaddr结构即可，当我们将sockaddr_in 结构强转成sockaddr后，相关的接口依然能够识别原来sockaddr_in结构体内的数据。(sockaddr_un同理)

5、相关接口的介绍与认识

1、socket

该函数用于创建套接字，第一个参数用于指定套接字的域，第二个参数是套接字的类型，第三个参数在前两个参数确定的情况下填零即可。该接口成功调用的返回值是一个文件描述符，失败就返回-1，网络套接字创建以后相当于绑定了该文件描述符。这里我们一般就使用AF_INET。

第一个参数列表

第二个参数列表（使用udp协议时，我们就需要将该参数设置成SOCK_DGRAM）

2、bind

在创建完套接字后，我们必须要将创建的套接字与端口号和ip地址进行绑定，也就是将网络服务与本地的文件描述符绑定(先这样理解)。所以这里我们需要引入一个接口bind

第一个参数表示创建套接字的文件描述符，第二个是网络套接字的相关结构体(就是我们上文所提到的sockaddr，不过实际上我们使用的是sockaddr_in)，第三个参数表示第二个参数代表的结构体大小。

在使用struct sockaddr_in之前，我们首先要将其定义出来，初始化后再对各个成员进行初始化。

sin_family 我们一般初始化成AF_INET即可，而sin_port和sin_addr的初始化需要特别注意的是，这两个成员再初始化之前，我们都需要对其作主机序列转成网络序列的操作，也就是转成大端，除此之外，由于IP地址是点分十进制风格的字符串来表示的，所以在网络传输前，还要将其变成4字节的IP。在初始化IP地址时，我们发现sockaddr_in中，表示IP地址的成员是一个结构体，而这个结构体内只有一个成员，在初始化的时候需要注意以下。上述这些操作都不需要我们手动的实现，OS已经提供了相关的接口。

端口的主机序列转网络序列的相关接口(这里我们使用第二个接口，因为我们一般将端口设成16位)

当前IP的主机序列转网络序列并将其转成4字节IP的相关接口(这里我们一般使用第二个接口)

3、recvfrom

该接口用于接收网络中数据，第一个参数是服务端或客户端绑定的文件描述符，第二个参数是一个缓冲区的指针，用于存放接收的数据，第三个参数用于表示接收数据的长度，第四个参数是位掩码，用于控制该函数，我们通常填零即可（因情况而定），第五个参数也是一个输出型的参数，用于接收发送方的信息，第六个参数用于表示第五个参数的大小。返回值表示实际读取到的数据长度。

4、sendto

该接口用于向特定主机发送数据，第一个参数服务端或客户端绑定的文件描述符，第二个参数是一个缓冲区的指针，表示要发送的数据。第三个参数表示缓冲区的大小，第四个参数表示位掩码，表示对该函数的控制，一般设置为零即可，第五个参数表示目标主机的相关信息，第六个参数表示第五个参数的大小。返回值表示发送出去的数据长度。

示例代码(udp)

Main.cc(服务端)

#include <iostream>
#include <memory>
#include "Udpserver.hpp"void Usage()
{std::cout << "./Main.cc  server_port\n"<< std::endl;
}
int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 2){Usage();return 0;} EnableScreen();//std::string server_ip = argv[1];int server_port = std::stoi(argv[1]);std::unique_ptr<Udpserver> ptr = std::make_unique<Udpserver>(server_port);ptr->InitServer();ptr->Start();return 0;
}

Udpserver.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include "Log.hpp"
#include <strings.h>
#include "Inetaddr.hpp"
#include <cstring>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
enum
{SOCKET = 1,BIND
};class Udpserver
{
public:Udpserver(uint16_t port) : _port(port), _isrunning(false){}void InitServer(){_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_fd < 0){LOG(INFO, "socket fail")exit(SOCKET);}struct sockaddr_in infor;bzero(&infor, sizeof(infor));//清空数据infor.sin_family = AF_INET;// 主机序列转网络序列infor.sin_port = htons(_port);infor.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);// 绑定socklen_t len = (socklen_t)sizeof(infor);int count = bind(_fd, (struct sockaddr *)&infor, len);if (count < 0){LOG(ERROR, "bind fail ...")exit(BIND);}LOG(INFO, "bind success")}void Start(){_isrunning = true;LOG(INFO,"begin server...")while (1){char buffer[1024];memset(buffer, 0, sizeof(buffer));struct sockaddr_in src;socklen_t len = (socklen_t)sizeof(src);ssize_t rnum = recvfrom(_fd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&src, &len);if (rnum > 0){buffer[1023] = 0;Inetaddr addr(&src);LOG(INFO, "receive informaiton success")printf("#[%s:%d]: %s\n",addr.IP().c_str(),addr.Port(),buffer);ssize_t snum = sendto(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&src, len);}}_isrunning = false;}~Udpserver(){}
private:int _fd;bool _isrunning;uint16_t _port;//std::string _IP;
};

client.cc（客户端）

#include <iostream>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include "Log.hpp"
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <netinet/in.h>
using namespace std;
void Usage()
{std::cout << "./Main.cc server_ip  server_port\n"<< std::endl;
}int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){Usage();return 0;}// 创建套接字int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (fd < 0){LOG(FATAL, "socket fail...")exit(-1);}struct sockaddr_in client;bzero(&client, sizeof(client));client.sin_family = AF_INET;client.sin_port = htons(stoi(argv[2]));client.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);// client 不需要显示地绑定客户端。OS会在client发送数据时，随机绑定一个端口号// 通信std::string message;while (1){std::cout << "Please Enter: ";std::getline(std::cin, message);sendto(fd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr *)&client, sizeof(client));struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);char buffer[1024];memset(buffer, 0 , sizeof(buffer));ssize_t n = recvfrom(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (n > 0){std::cout << buffer << std::endl;}}return 0;
}

Ineraddr.hpp

#include<iostream>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <cstring>class Inetaddr
{
private:void Init(){port = ntohs(_src->sin_port);ip = inet_ntoa(_src->sin_addr);}
public:Inetaddr(struct sockaddr_in* src):_src(src){Init();}std::string IP(){return ip;}uint16_t Port(){return port;}~Inetaddr(){}
private:struct sockaddr_in* _src;std::string ip;uint16_t port;
};

Log.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <stdarg.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>
#include <fstream>
enum Level
{INFO = 0,DEBUG,WARNING,ERROR,FATAL};
std::string Level_tostring(int level)
{switch (level){case INFO:return "INFO";case DEBUG:return "DEBUG";case WARNING:return "ERROR";case ERROR:return "ERROR";case FATAL:return "FATAL";default:return "Unkown";}
}pthread_mutex_t _glock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
bool _is_save = false;
const std::string filename = "log.txt";void SaveLog(const std::string context)
{std::ofstream infile;infile.open(filename,std::ios::app);if(!infile.is_open()){std::cout << "open file failed" << std::endl;}else{infile << context;}infile.close();
}
std::string Gettime()
{time_t cur_time = time(NULL);struct tm *time_data = localtime(&cur_time);if (time_data == nullptr){return "None";}char buffer[1024];snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%d-%d-%d %d:%d:%d",time_data->tm_year + 1900,time_data->tm_mon + 1,time_data->tm_mday,time_data->tm_hour,time_data->tm_min,time_data->tm_sec);return buffer;
}
void LogMessage(std::string filename, int line, bool issave, int level, const char *format, ...)
{std::string levelstr = Level_tostring(level);std::string time = Gettime();// 可变参数char buffer[1024];va_list args;va_start(args, format);vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), format, args);va_end(args);std::string context = "[" + levelstr + "]" + "[" + time + "]" + "[" + "line : " + std::to_string(line) + "]" + "[" + filename + "]" + ": " + buffer;pthread_mutex_lock(&_glock);if(!issave){std::cout << context << std::endl;}else{SaveLog(context);}pthread_mutex_unlock(&_glock);
}#define LOG(level, format, ...)                                          \do                                                                   \{                                                                    \LogMessage(__FILE__, __LINE__, _is_save, level, format, ##__VA_ARGS__); \} while (0);
#define EnableFile()    \do                  \{                   \_is_save = true; \} while (0);
#define EnableScreen()   \do                   \{                    \_is_save = false;\} while (0);

代码编写中及测试过程中的注意事项

<1>在客户端中，我们是不需要显示地绑定一个端口号的，操作系统会第一次连接时自动帮我们绑定一个随机端口号。如果帮显示绑定一个端口号，那么可能就会造成以下情况，当你的主机上需要同时启动两款App，但是这两款App绑定了同一个端口号，此时就会造成一个App启动后，另一个个App启动失败。

<2>当我们接收到sockadd_in结构体后，如果需要打印结构体内的信息，需要对对其进行从网络序列转成主机序列的操作，这也就是Inetaddr文件存在的原因(这里我封装了)。

<3>服务端不推荐绑定固定的ip（我们一般就绑定为0，表示能够处理任何ip发送的服务）。在云服务器上也不允许绑定公网的ip，如果需要在云服务器上绑定ip，则需要在对应的云服务的安全组上添加对应的端口。

以上就是所有内容


http://www.ppmy.cn/embedded/127206.html

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