13.1 Linux_网络编程

news/2024/10/15 6:29:38/

字节序

1、概述

什么是字节序：

字节序就是字节的存储顺序，分为大端字节序和小端字节序。

  • 大端字节序：低地址存高位（网络）
  • 小端字节序：低地址存低位（主机）

检验主机字节序模式：

#include <stdio.h>int main(){unsigned int a = 0x11223344;unsigned char b = *((unsigned char *)&a);if(b == 0x44){printf("小端字节序\n");}else{printf("大端字节序\n");}return 0;
}

2、字节序转换

2.1 端口号字节序转换函数

因为主机使用的是小端字节序，网络使用的是大端字节序，因此在数据传输时，需要先将数据转换为大端字节序传给网络，之后再将数据转换为小端字节序传给另一个主机。

/* h:本机 n:网络 l:32位 s:16位 *///32位数据(4字节)
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);//本机->网络
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);//网络->本机
//16位数据(2字节)
uint16_t htons(uint16_t hostshort);//本机->网络
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);//网络->本机

返回值：将小端字节序转换为大端字节序后的端口号

参数：端口号值 

2.2 IP地址字节序转换函数

该函数主要是实现点分十进制表示的IP地址转换，而不需要一个字节一个字节的去转换。

2.2.1 IPv4
//点分十进制字符串->网络字节序
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
//网络字节序->点分十进制字符串
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

inet_addr返回值：ip地址

cp：点分十进制字符串，例如传入"192.168.1.1"这个字符串

inp：ip地址

inet_ntoa返回值：点分十进制字符串

in：ip地址

2.2.1 IPv6
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
const char *inet_ntop(int af, const void *src,char *dst, socklen_t size);

套接字socket

概述

socket的作用：

socket处在应用层与内核之间。在应用层中实现的是与应用相关的代码，在内核中实现的是网络通信相关的代码。在OSI结构中，应用层就是OSI的应用层、表示层、会话层，内核就是运输层、网络层、数据链路层、物理层。

什么是三元组：

三元组指的是IP地址、端口号、协议。该数据通过bind函数进行绑定。

  • IP地址：标识计算机，找到与网络中的哪一个计算机进行通信。
  • 端口号：标识进程，找到与计算机中哪一个进程进行通信。
  • 协议：指定数据以什么样的方式进行传递。主要指TCP、UDP

套接字的类型：

  • 流式套接字 (SOCK_STREAM) ：提供可靠的、面向连接的通信流；它使用TCP，从而保证数据传输的可靠性和顺序性
  • 数据报套接字 (SOCK_DGRAM) ：定义了一种不可靠、面向无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议UDP
  • 原始套接字（SOCK_RAW) ：允许直接访问底层协议，如IP或ICMP，它功能强大但使用较为不便，主要用于协议开发。

socket文件的读写含义：

socket在Linux中也是一种文件，对socket文件进行读就是读取网络传输过来的数据，对socket文件进行写就是向网络中传输相应的数据。

相关函数 

socket相关API：

创建套接字、绑定通信结构体、监听套接字、接收套接字、发起连接

1、创建套接字

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

返回值：成功返回socket文件描述符，失败返回-1

domain：指定bind中传入的地址族结构体的类型，与sa_family_t的取值要一致。

domain值含义
AF_UNIXUNIX 域套接字地址族，用于在同一台主机上的进程间通信
AF_INETIPv4 地址族，用于 IPv4 通信
AF_INET6IPv6 地址族，用于 IPv6 通信

type：套接字的类型，就是"概述"中的说的三种类型

type值使用的协议
SOCK_STREAMTCP
SOCK_DGRAMUDP
SOCK_RAW

protocol：协议。在TCP、UDP时，该值写0。type = SOCK_RAW时需要根据需求选择该值。

2、绑定通信结构体

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

返回值：成功返回0，失败返回-1 

sockfd：socket文件描述符

addr：通用地址族结构体，存放了通信地址的结构、端口号、IP地址这三个信息

addrlen：传入的addr结构体的宽度，用sizeof求出

struct sockaddr结构体：

//通用地址族结构体
struct sockaddr {sa_family_t sa_family;    //通信地址的结构char        sa_data[14];
}

 sa_family：代表通信地址的结构，取值及含义如下

sa_family值含义
AF_UNIXUNIX 域套接字地址族，用于在同一台主机上的进程间通信
AF_INETIPv4 地址族，用于 IPv4 通信
AF_INET6IPv6 地址族，用于 IPv6 通信

struct sockaddr_in结构体：

该结构体用于捆绑IPv4的地址。 

struct sockaddr_in {sa_family_t sin_family;   //通信地址的结构in_port_t sin_port;       //端口号struct in_addr sin_addr;  //IP地址(这是个结构体)
};struct in_addr {in_addr_t s_addr; //IP地址
};

struct sockaddr_in6结构体：

该结构体用于捆绑IPv6的地址。 

struct sockaddr_in6 {sa_family_t sin6_family;   /* Address family (AF_INET6) */in_port_t sin6_port;       /* Port number */uint32_t sin6_flowinfo;    /* IPv6 flow information */struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 address */uint32_t sin6_scope_id;    /* IPv6 scope-id */
};
struct in6_addr {uint8_t s6_addr[16]; /* IPv6 address in network byte order */
};

3、监听套接字

int listen(int sockfd, int backlog);

返回值：成功返回0，失败返回-1  

sockfd：socket文件描述符

backlog：允许接入的客户端的总数量

该函数应用于服务器， 调用完该函数后，会创建一个指定长度的队列，用于存储接收到的客户端。

4、接收套接字

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

返回值：成功新的socket文件描述符，用于与客户端进行连接，失败返回-1

              后面数据交互用的是该文件描述符，而不是socket函数返回的文件描述符。

sockfd：socket文件描述符

addr：通用地址族结构体，该参数是传出的参数，是接入服务器的客户端的信息。

addrlen：addr结构体的宽度，该参数是传出的参数

该函数应用于客户端，是从listen创建的队列中出队一个客户端，并生成一个新的socket与这个客户端进行连接。

注意：一个accept只能接入一个客户端，如果想要接入多个客户端，那么应该把accept写入到while循环中

5、发起连接

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

返回值：成功返回0，失败返回-1   

sockfd：socket文件描述符

addr：通用地址族结构体，该参数是要连接的服务器的信息

addrlen：addr结构体的宽度，sizeof求出

UDP

1、接收/发送数据
//发送
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
//接收
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

sockfd：socket文件描述符

buf：缓冲区

len：数据长度

flag：标志位，一般设置为0。具体含义如下

flag值含义
0

send相当于write

recv相当于read（读后数据从缓冲区删除）

MSG_PEEK

窥视传入的数据。

数据被复制到缓冲区，但不会从输入队列中删除

MSG_OOB处理带外数据
//发送
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
//接收
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

第一行参数：sockfd、buf、len、flags与send、recv函数的参数含义一致

dest_addr：发送给哪一个设备，包含设备的IP、端口号

src_addr：接收到的是哪一个设备的信息，包含设备的IP、端口号

addrlen：长度，用sizeof 求出

TCP

测试

1、使用ifconfig获取环回IP地址

2、使用 nc <IP地址> <端口号>使得终端作为客户端连接服务器（这里服务器端口号为8888）

单线程

TCP客户端与服务端实现步骤：

server.c代码： 

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>int main(int argc ,char** argv){int fd;struct sockaddr_in addr;//判断参数有效性if(argc != 3){printf("param err\n");printf("%s<ip><port>\n",argv[0]);return -1;}printf("ip = %s\n",argv[1]);printf("port = %s\n",argv[2]);//1.创建socketif((fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){//IPv4,TCP协议perror("socket");return -1;}//2.绑定IP、端口号addr.sin_family = AF_INET;    				  //IPv4addr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); 		  //端口号,要转化为大端子节序addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    //IP地址:0表示在本网络上的本主机,即:自己if(bind(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(struct sockaddr_in)) == -1){perror("bind");return -1;}//3.监听socketif(listen(fd,5) == -1){ 	//允许最多接入5个客户端perror("listen");return -1;}//4.接受客户端链接int newFd;struct sockaddr_in newAddr;socklen_t newAddrlen;if((newFd = accept(fd,(struct sockaddr*)&newAddr,&newAddrlen)) < 0){perror("accept");return -1;}//5.数据交互printf("client port = %d\n",ntohs(newAddr.sin_port));printf("client ip = %s\n",inet_ntoa(newAddr.sin_addr));while(1){write(newFd,"server",strlen("server\n"));sleep(1);}close(newFd);close(fd);return 0;
}

 client.c代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>int main(int argc,char** argv){int fd;struct sockaddr_in addr;//判断参数有效性if(argc != 3){printf("param err\n");printf("%s<ip><port>\n",argv[0]);return -1;}printf("ip = %s\n",argv[1]);printf("port = %s\n",argv[2]);//1.创建socketif((fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){//IPv4,TCP协议perror("socket");return -1;}//2.链接服务器addr.sin_family = AF_INET;    		  		//IPv4addr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); 		//服务器端口号,要转化为大端子节序addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  //服务器IP地址:在本网络上的本主机,即:自己if(connect(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(struct sockaddr_in)) == -1){perror("connect");return -1;}//3.数据交互char buf[100] = {0};while(1){if(read(fd,buf,sizeof(buf)-1) > 0){printf("read:%s\n",buf);write(fd,"client:i read it\n",strlen("client:i read it\n"));}}close(fd);return 0;
}

代码执行结果：

并发

1、地址快速重用

当服务器与客户端正在处于连接状态，若服务器先于客户端关闭，之前服务器使用的端口号并不会立刻关闭。为了解决这个问题需要将以下代码添加到"建立套接字"代码之后。

int flag=1,len=sizeof(int);
if(setsockopt(fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&flag,len) == -1){perror("setsockopt");return -1;
}

2、多进程并发

多进程并发设计步骤：

  • 在 "单线程" 的代码基础上，将accept函数和数据交互部分写入一个新的while循环，这代表服务器可以不断接收客户端。
  • 在accept后创建子进程，子进程需要关闭socket返回的文件描述符，父进程需要关闭accept返回的文件描述符。之后子进程用来与接入的客户端进行通信，父进程继续等待新的客户端接入。
  • 在accept前编写SIGCHLD信号处理相关函数，以便多进程时使用信号机制来回收子进程。

客户端退出情况分析：

  • 正常交互：服务器收到客户端发来的退出指令退出交互的while，之后使用exit退出子进程
  • 异常退出：客户端突然终止，服务器向客户端发送数据后会产生SIGPIPE信号，从而由信号终止子进程 

server.c改进代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>void Set_SIGCHLD(void);
void SIGCHLD_Handler(int sig);
int main(int argc ,char** argv){int fd;struct sockaddr_in addr;//判断参数有效性if(argc != 3){printf("param err\n");printf("%s<ip><port>\n",argv[0]);return -1;}printf("ip = %s\n",argv[1]);printf("port = %s\n",argv[2]);//1.创建socketif((fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){//IPv4,TCP协议perror("socket");return -1;}//地址快速重用int flag=1,len=sizeof(int);if(setsockopt(fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&flag,len) == -1){perror("setsockopt");return -1;}//2.绑定IP、端口号addr.sin_family = AF_INET;    				  //IPv4addr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); 		  //端口号,要转化为大端子节序addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    //IP地址:0表示在本网络上的本主机,即:自己if(bind(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(struct sockaddr_in)) == -1){perror("bind");return -1;}//3.监听socketif(listen(fd,5) == -1){ 	//允许最多接入5个客户端perror("listen");return -1;}//多进程并发pid_t pid;int newFd;struct sockaddr_in newAddr;socklen_t newAddrlen;Set_SIGCHLD();//以信号方式回收子进程while(1){//4.接受客户端链接if((newFd = accept(fd,(struct sockaddr*)&newAddr,&newAddrlen)) < 0){perror("accept");return -1;}//父进程处理接收客户端链接的问题//子进程处理与客户端交互的问题if((pid=fork()) == -1){perror("fork");return -1;}else if(pid == 0){close(fd);//对于子进程,socket返回的fd没有用//5.数据交互printf("client port = %d\n",ntohs(newAddr.sin_port));printf("client ip = %s\n",inet_ntoa(newAddr.sin_addr));while(1){write(newFd,"server",strlen("server\n"));sleep(1);}exit(0);}else{close(newFd);//对于父进程,accept返回的newFd没有用}}close(fd);return 0;
}
void Set_SIGCHLD(void){struct sigaction act;act.sa_handler = SIGCHLD_Handler;sigemptyset(&act.sa_mask);act.sa_flags = SA_RESTART;//让因为信号而终止的系统调用继续运行if(sigaction(SIGCHLD,&act,NULL) != 0){perror("sigaction");}
}
void SIGCHLD_Handler(int sig){int wstatus;waitpid(-1,&wstatus,WNOHANG);if(WIFEXITED(wstatus)){      //判断子进程是否正常退出printf("子进程的返回值为%d\n",WEXITSTATUS(wstatus));}else{printf("子进程是否被信号结束%d\n",WIFSIGNALED(wstatus));printf("结束子进程的信号类型%d\n",WTERMSIG(wstatus));}
}

代码运行结果如下：

3、多线程并发

多进程并发设计步骤： 

  • 在 "单线程" 的代码基础上，将accept函数和数据交互部分写入一个新的while循环，这代表服务器可以不断接收客户端。
  • 在accept后创建新的线程并进行线程分离，让新的线程去与客户端进行数据交互，原线程依旧等待新的客户端接入

存在问题：

未解决ctrl c终止客户端后，整个服务器因管道破裂信号而整个进程退出的情况

server.c改进代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>void* clientThread(void* arg);
int main(int argc ,char** argv){int fd;struct sockaddr_in addr;//判断参数有效性if(argc != 3){printf("param err\n");printf("%s<ip><port>\n",argv[0]);return -1;}printf("ip = %s\n",argv[1]);printf("port = %s\n",argv[2]);//1.创建socketif((fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){//IPv4,TCP协议perror("socket");return -1;}//2.绑定IP、端口号addr.sin_family = AF_INET;    				  //IPv4addr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); 		  //端口号,要转化为大端子节序addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    //IP地址:0表示在本网络上的本主机,即:自己if(bind(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(struct sockaddr_in)) == -1){perror("bind");return -1;}//3.监听socketif(listen(fd,5) == -1){ 	//允许最多接入5个客户端perror("listen");return -1;}//多线程并发int newFd;struct sockaddr_in newAddr;socklen_t newAddrlen;pthread_t tid;while(1){//4.接受客户端链接if((newFd = accept(fd,(struct sockaddr*)&newAddr,&newAddrlen)) < 0){perror("accept");return -1;}printf("client port = %d\n",ntohs(newAddr.sin_port));printf("client ip = %s\n",inet_ntoa(newAddr.sin_addr));//创建线程if(pthread_create(&tid,NULL,(void*)clientThread,(void*)newFd) != 0){perror("pthread_create");return -1;}pthread_detach(tid);}close(fd);return 0;
}
void* clientThread(void* arg){int newFd = (int)arg;//5.数据交互while(1){write(newFd,"server",strlen("server\n"));sleep(1);}printf("client exit\n");close(newFd);return NULL;
}

UDP

测试

1、使用ifconfig获取环回IP地址

2、使用 nc -u <IP地址> <端口号>使得终端作为客户端连接服务器（这里服务器端口号为8888）

单线程

UDP客户端与服务端实现步骤：

server.c代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>int main(int argc,char** argv){int fd;struct sockaddr_in addr;//判断参数有效性if(argc != 3){printf("param err\n");printf("%s<ip><port>\n",argv[0]);return -1;}printf("ip = %s\n",argv[1]);printf("port = %s\n",argv[2]);//1.创建socketif((fd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))<0){//IPv4,UDP协议perror("socket");return -1;}//2.绑定IP、端口号addr.sin_family = AF_INET;    				  //IPv4addr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); 		  //端口号,要转化为大端子节序addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    //IP地址:0表示在本网络上的本主机,即:自己if(bind(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(struct sockaddr_in)) == -1){perror("bind");return -1;}//3.数据交互char buf[100] = {0};struct sockaddr_in src_addr;socklen_t src_addrlen;while(1){memset(buf,0,sizeof(buf));if(recvfrom(fd,buf,sizeof(buf)-1,0,(struct sockaddr*)&src_addr,&src_addrlen) > 0){printf("client port = %d\n",ntohs(src_addr.sin_port));printf("client ip = %s\n",inet_ntoa(src_addr.sin_addr));printf("read:%s\n",buf);}	}close(fd);return 0;
}

client.c代码： 

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>int main(int argc,char** argv){int fd;struct sockaddr_in addr;//判断参数有效性if(argc != 3){printf("param err\n");printf("%s<ip><port>\n",argv[0]);return -1;}printf("ip = %s\n",argv[1]);printf("port = %s\n",argv[2]);//1.创建socketif((fd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))<0){//IPv4,UDP协议perror("socket");return -1;}//2.设置要发送到的服务器信息addr.sin_family = AF_INET;    		  		//IPv4addr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); 		//服务器端口号,要转化为大端子节序addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  //服务器IP地址:在本网络上的本主机,即:自己//3.数据交互while(1){sendto(fd,"cilent",strlen("cilent"),0,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));sleep(1);}close(fd);return 0;
}


http://www.ppmy.cn/news/1539310.html

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