【Linux】SOCKET编程

传统的进程间通信借助内核提供IPC机制进行，但是只能限制于本机通信，若要进行跨机通信，就要使用网络通信。

网络通信的本质是借助内核提供SOCKET伪文件的机制进行通信，实际上是使用了文件描述符，因此需要使用内核提供的socketAPI函数库（在传输层层面进行）。

使用socket会建立一个socket pair，如下图, 一个文件描述符操作两个缓冲区：内核中需要维护两个缓冲区，发送端缓冲区和接收端缓冲区, 这点跟管道是不同的, 管道是两个文件描述符操作一个内核缓冲区。

1.基础知识

主机字节序和网络字节序

主机字节序列分为大端字节序和小端字节序，不同的主机采用的字节序列可能不同。大端字节序是指一个整数的高位字节存储在内存的低地址处，低位字节存储在内存的高地址处。小端字节序则是指整数的高位字节存储在内存的高地址处，而低位字节则存储在内存的低地址处。在两台使用不同字节序的主机之间传递数据时，可能会出现冲突。所以，在将数据发送到网络时规定整形数据使用大端字节序，所以也把大端字节序成为网络字节序列。对方接收到数据后，可以根据自己的字节序进行转换。

大端:手机、网络 || 小端:电脑

主机字节序列:大端/小端 || 网络字节序列:大端

大小端转换

网络传输用的是大端法，如果机器用的是小端则需要进行大小端转换，Linux 系统提供如下 4 个函数来完成主机字节序和网络字节序之间的转换：

#include <netinet/in.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong); // 长整型的主机字节序转网络字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); // 长整型的网络字节序转主机字节序
uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 短整形的主机字节序转网络字节序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort); // 短整型的网络字节序转主机字节序

函数名的h表示主机host，n表示网络network，s表示short，l表示long，如果本来不需要转换函数内部就不会转换。

通用socket地址结构

struct sockaddr–存放IP地址，缺点是赋值不方便

struct sockaddr{sa_family_t sa_family;char sa_data[14];
}

struct sockaddr_in----sockaddr的升级

struct sockaddr_in{sa_family_t sin_family;// address family: AF_INETin_port_t sin_port;//port in network byte orderstruct in_addr sin_addr;//internet address
}
/* Internet address. */
struct in_addr{uint32_t s_addr;
}

sa_family 成员是地址族类型（sa_family_t）的变量。地址族类型通常与协议族类型对应。常见的协议族和对应的地址族如下图所示：

专用socket地址结构

socket 网络编程接口中表示 socket 地址的是结构体 sockaddr，其定义如下：

#include <bits/socket.h>
struct sockaddr
{sa_family_t sa_family;//协议族
char sa_data[14];//数据,没有给出IP地址,就是给了这么一块儿空间,起了一个占位
的作用.
};

sa_family 成员是地址族类型（sa_family_t）的变量。地址族类型通常与协议族类型对应。常见的协议族和对应的地址族如下图所示：

专用socket地址结构

TCP/IP 协议族有 sockaddr_in 和 sockaddr_in6 两个专用 socket 地址结构体，它们分别用于 IPV4 和 IPV6：

//sin_family: 地址族 AF_INET
//sin_port: 端口号，需要用网络字节序表示
//sin_addr: IPV4 地址结构： s_addr 以网络字节序表示 IPV4 地址
struct in_addr
{u_int32_t s_addr;//无符号的32位的整型,存放IP地址;
};
//tcp协议族
struct sockaddr_in
{sa_family_t sin_family;//地址族,就是sin_family: 地址族 AF_INET
u_int16_t sin_port;//端口,16位的端口
struct in_addr sin_addr;//一个结构体,只有一个成员,是无符号的32位的整型,
存放IP地址;(IPV4的地址就是32位)
//其实后面还有占位的,只是我们不用它,所以就没有写;
};
//tcp协议族就主要有三个:地址族,端口号,IP地址
//IP协议族
struct in6_addr
{unsigned char sa_addr[16]; // IPV6 地址，要用网络字节序表示
};
struct sockaddr_in6
{sa_family_t sin6_family; // 地址族： AF_INET6
u_inet16_t sin6_port; // 端口号：用网络字节序表示
u_int32_t sin6_flowinfo; // 流信息，应设置为 0
struct in6_addr sin6_addr; // IPV6 地址结构体
u_int32_t sin6_scope_id; // scope ID，尚处于试验阶段
};

IP地址转换函数

通常，人们习惯用点分十进制字符串表示 IPV4 地址，但编程中我们需要先把它们转化为整数方能使用，下面函数可用于点分十进制字符串表示的 IPV4 地址和网络字节序整数表示的 IPV4 地址之间的转换

#include <arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char *cp); //字符串表示的 IPV4 地址转化为网
络字节序
char* inet_ntoa(struct in_addr in); // IPV4 地址的网络字节序转化为字符
串表示

函数名中p表示点分十进制的字符串形式，to表示到，n表示network

2.socket编程主要API函数(网络编程接口)

2.1socket函数

socket()方法是用来创建一个套接字，有了套接字就可以通过网络进行数据的收发。这也是为什么进行网络通信的程序首先要创建一个套接字。创建套接字时要指定使用的服务类型，使用 TCP 协议选择流式服务（SOCK_STREAM）。

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

函数描述 创建socket

参数说明

（1）domain–协议版本

AF_INET OPV4 AF_INET6 IPV6 AF_UNIX AF_LOCAL（本地套接字使用）

（2）type–协议类型

SOCK_STREAM–流式，默认使用TCP协议

SOCK_DGRAM–报式，默认使用UDP协议

（3）protocol

一般填0，表示使用对应类型的默认协议

返回值

成功返回一个大于0的监听文件描述符，该文件描述符用于监听客户端连接，失败返回 -1，并设置errno

当调用socket函数以后, 返回一个监听文件描述符, 内核会提供与该文件描述符相对应的读和写缓冲区, 同时还有两个队列, 分别是请求连接队列和已连接队列（前提是在监听队列的时候才会存在）；

因此无法直接操作内核，而是对文件描述符进行操作，如read/write/close等。

2.2bind函数

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

访问服务器需要绑定一个端口，不绑定端口也可以，但每次启动端口所获得的端口号式随机的，对方不知道发送数据的一方，无法对发送方进行访问。

bind()方法是用来指定套接字使用的 IP 地址和端口。 IP 地址就是自己主机的地址，如果主机没有接入网络，测试程序时可以使用回环地址“127.0.0.1”。端口是一个 16位的整形值，一般 0-1024 为知名端口，如 HTTP 使用的 80 号端口。这类端口一般用户不能随便使用。其次， 1024-4096 为保留端口，用户一般也不使用。 4096 以上为临时端口，用户可以使用。在Linux 上， 1024 以内的端口号，只有 root 用户可以使用。

函数描述 将socket文件描述符和IP、PORT端口号绑定

参数说明

（1）sockfd

调用socket函数返回的文件描述符

（2）addr

本地服务器的IP地址和PORT，存放IP端口

struct sockaddr_in serv;
serv.sin_family = AF_INET;
ser.sin_port = htons(8888);
//serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv.sin_addr.s_addr);

（3）addrlen

addr变量占用的内存大小

2.3listen函数

listen()方法是用来创建监听队列。监听队列有两种，一个是存放未完成三次握手的连接，一种是存放已完成三次握手的连接。 listen()第二个参数就是指定已完成三次握手队列的长度。

int listen(int sockfd,int backlog);

函数描述 服务端调用，将套接字由主动变为被动

参数说明

（1）sockfd

调用socket函数返回的文件描述符

（2）backlog

同时请求连接的最大个数（还未建立连接的客户端端口）,最大为128，该参数意义不大，但不可以为0

返回值

成功返回0，失败返回-1并设置errno

2.4accept函数

accept()处理存放在 listen 创建的已完成三次握手的队列中的连接。每处理一个连接，则accept()返回该连接对应的套接字描述符。如果该队列为空，则 accept 阻塞。

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

函数描述 服务端调用，从已连接队列中接受一个连接，并获得一个新的通信文件描述符

accept函数是一个阻塞函数，如果没有新的连接请求，就会一直阻塞

参数说明

（1）sockfd

调用socket函数返回的文件描述符

（2）addr

传出参数，保存客户端的地址信息

（3）addrlen

传入传出参数，addr变量所占内存空间大小

返回值

成功返回一个新的通信文件描述符,用于和客户端通信，失败返回-1, 并设置errno值.

2.5connect函数

connect()方法一般由客户端程序执行，需要指定连接的服务器端的 IP 地址和端口。该方法执行后，会进行三次握手，建立连接。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7LYv9iKy-1667036779168)(C:\Users\Iric Zhang\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20221029173512027.png)]

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

函数描述

客户端主动调用，连接服务器

参数说明

（1）sockfd

调用socket函数返回的文件描述符

（2）addr

服务端的地址信息

（3）addrlen
addr变量的内存大小

返回值

成功返回0，失败返回-1并设置errno

2.6send、recv、close函数

以上完成之后使用recv/send进行读写，读写数据又是也可以使用read/write，但两者都是配套使用

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
//对应recv和send这两个函数flags直接填0

send()方法用来向 TCP 连接的对端发送数据。 send()执行成功，只能说明将数据成功写入到发送端的发送缓冲区中，并不能说明数据已经发送到了对端。 send()的返回值为实际写入到发送缓冲区中的数据长度。

recv()方法用来接收 TCP 连接的对端发送来的数据。 recv()从本端的接收缓冲区中读取数据，如果接收缓冲区中没有数据，则 recv()方法会阻塞。返回值是实际读到的字节数，如果recv()返回值为 0，说明对方已经关闭了 TCP 连接。

数据发送并接受完毕之后，使用close()方法用来关闭 TCP 连接。此时，会进行四次挥手。

2.7socketAPI编程流程图

代码测试过程中可以使用netstat进行查看监听状态和连接状态

3.代码实现

3.1服务端开发代码

服务端的开发流程

1.创建socket,返回一个文件描述符sockfd—socket()，该文件描述符用于监听客户端连接；
2.将sockfd和IP端口进行绑定----bind()；
3.将sockfd由主动变为被动监听----listen()；
4.接受一个新的连接,得到一个文件描述符c----accept()，该文件描述符是用于和客户端进行通信；
5.while(1)
{
接收数据—recv()
发送数据—send()
}
6.关闭监听和通信文件描述符----close(sockfd) close©;

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<string.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>int main()
{//创建socket----int socket(int domain, int type,int protocal);int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);assert(sockfd != -1);//绑定bind----int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);struct sockaddr_in saddr, caddr,memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.31.143");int res = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));assert(res != -1);//监听listen----int listen(int sockfd,int backlog);listen(sockfd, 5);while(1){//接受连接accept----int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t *addrlen);int c = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr, &len);printf("accept client ip:%s, port = %d\n",inet_ntoa(caddr.sin_addr), ntohs(caddr.sin+port));if(c < 0){continue;}printf("accept c = %d\n",c);char buff[128];//读数据recv(c, buff, 127, 0);printf("buff = %s\n",c);//写数据send(c, "ok", 2, 0);//关闭监听close(c);}//关闭通信描述符close(sockfd);exit(0);
}

测试工具：nc

3.2客户端开发代码

客户端开发流程:

1.创建socket, 返回一个文件描述符sockfd—socket()，该文件描述符是用于和服务端通信；
2.连接服务端—connect() ；
3.while(1)
{
//发送数据—send

send写入发送缓冲区，内核负责从发送缓冲区拿出数据，网卡发送数据

//接收数据—recv
};

4.关闭通信描述符close(sockfd);

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>int main()
{//创建socketint sockfd = socket(AF_INET, SOCKET_STREAM, 0);assert(sockfd != -1);//连接服务器connect----int connect(int sockfd, const struct socaddr* addr, socklen_t addrlen);struct sockaddr_in saddr;memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.31.143");int res = connect(sockfd, (struct saddr*)&saddr, sizeof(saddr));assert(res != -1);//发送数据printf("input:\n");char buff[128];fgets(buff, 127, stdin);send(sockfd, buff, strlen(buff), 0);//接收数据memset(buff, 0, 128);recv(sockfd, buff, 127, 0);printf("read:%s\n",buff);close(sockfd);exit(0);
}