【计算机网络】Socket网络编程

目录

一、主机字节序列和网络字节序列

二、套接字地址结构

1、IPv4 地址结构 (sockaddr_in)

2、IPv6 地址结构 (sockaddr_in6)

3、通用套接字地址结构 (sockaddr)

4、Unix域套接字地址结构 (sockaddr_un)

5、专用 socket 地址结构

6、套接字地址结构的转换

字符串转二进制地址

二进制地址转字符串

7、端口号的转换

三、网络编程接口

socket

bind

listen

accept

TCP 数据读写：

UDP 数据读写：

close

connect

四、TCP编程流程

代码示例：

服务端

客户端

一、主机字节序列和网络字节序列

主机字节序列（Host Byte Order）指的是计算机在内存中存储多字节数据时的顺序。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。

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

不同架构的处理器可能使用不同的字节序。x86架构通常是小端序，而网络协议（如TCP/IP）要求使用大端序。因此，跨平台通信时必须进行字节序转换。

二、套接字地址结构

套接字地址结构用于在网络编程中存储通信所需的地址信息。常见的套接字地址结构包括IPv4、IPv6和Unix域套接字地址结构。

1、IPv4 地址结构 (sockaddr_in)

IPv4套接字地址结构定义在<netinet/in.h>中，用于存储IPv4地址和端口号。

struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family; // 地址族，如AF_INETin_port_t      sin_port;   // 16位端口号，网络字节序struct in_addr sin_addr;   // 32位IPv4地址，网络字节序char           sin_zero[8]; // 填充字段，通常置零
};struct in_addr {uint32_t s_addr; // IPv4地址，网络字节序
};

2、IPv6 地址结构 (sockaddr_in6)

IPv6套接字地址结构用于存储IPv6地址和端口号。

struct sockaddr_in6 {sa_family_t     sin6_family;   // 地址族，如AF_INET6in_port_t       sin6_port;     // 16位端口号，网络字节序uint32_t        sin6_flowinfo; // 流信息struct in6_addr sin6_addr;     // 128位IPv6地址，网络字节序uint32_t        sin6_scope_id; // 范围ID
};struct in6_addr {unsigned char s6_addr[16]; // IPv6地址，网络字节序
};

3、通用套接字地址结构 (sockaddr)

socket 网络编程接口中表示 socket 地址的是结构体 sockaddr，通用套接字地址结构用于在函数参数中传递不同类型的地址结构。其定义如下：

struct sockaddr {sa_family_t sa_family; // 地址族char        sa_data[14]; // 协议地址
};

4、Unix域套接字地址结构 (sockaddr_un)

Unix域套接字用于本地进程间通信，其地址结构定义在<sys/un.h>中。

struct sockaddr_un {sa_family_t sun_family; // 地址族，AF_UNIXchar        sun_path[108]; // 文件路径名
};

5、专用 socket 地址结构

/*
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;
};
struct sockaddr_in{sa_family_t sin_family;u_int16_t sin_port;struct in_addr sin_addr;
};
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_INET6u_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 0struct 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
};

在网络编程中，通常需要将人类可读的IP地址和端口号转换为网络字节序的二进制形式。

字符串转二进制地址

使用inet_pton函数将点分十进制字符串转换为二进制地址。

#include <arpa/inet.h>const char *ip_str = "192.168.1.1";
struct in_addr addr;
inet_pton(AF_INET, ip_str, &addr);

二进制地址转字符串

使用inet_ntop函数将二进制地址转换为点分十进制字符串。

char ip_str[INET_ADDRSTRLEN];
inet_ntop(AF_INET, &addr, ip_str, INET_ADDRSTRLEN);

7、端口号的转换

端口号需要转换为网络字节序（大端序）后使用。

#include <arpa/inet.h>uint16_t port = 8080;
uint16_t net_port = htons(port); // 主机字节序转网络字节序
uint16_t host_port = ntohs(net_port); // 网络字节序转主机字节序

三、网络编程接口

• socket

socket()创建套接字，成功返回套接字的文件描述符，失败返回-1

domain: 设置套接字的协议簇， AF_UNIX AF_INET AF_INET6 ；type: 设置套接字的服务类型 SOCK_STREAM SOCK_DGRAM ；protocol: 一般设置为 0，表示使用默认协议

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

• bind

bind()将 sockfd 与一个 socket 地址绑定，成功返回 0，失败返回-1

sockfd 是网络套接字描述符 ；addr 是地址结构 ；addrlen 是 socket 地址的长度

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

• listen

listen()创建一个监听队列以存储待处理的客户连接，成功返回 0，失败返回-1

sockfd 是被监听的 socket 套接字 ；backlog 表示处于完全连接状态的 socket 的上限

int listen(int sockfd, int backlog);

• accept

accept()从 listen 监听队列中接收一个连接，成功返回一个新的连接 socket,该 socket 唯一地标识了被接收的这个连接，失败返回-1

sockfd 是执行过 listen 系统调用的监听 socket ；addr 参数用来获取被接受连接的远端 socket 地址 ；addrlen 指定该 socket 地址的长度

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

• TCP 数据读写：

recv()读取 sockfd 上的数据，buff 和 len 参数分别指定读缓冲区的位置和大小

send()往 socket 上写入数据，buff 和 len 参数分别指定写缓冲区的位置和数据长度

flags 参数为数据收发提供了额外的控制

ssize_t recv(int sockfd, void *buff, size_t len, int flags);ssize_t send(int sockfd, const void *buff, size_t len, int flags);

• UDP 数据读写：

recvfrom()读取 sockfd 上的数据，buff 和 len 参数分别指定读缓冲区的位置和大小

src_addr 记录发送端的 socket 地址 ；addrlen 指定该地址的长度 ；sendto()往 socket 上写入数据，buff 和 len 参数分别指定写缓冲区的位置和数据长度 ；dest_addr 指定接收数据端的 socket 地址 ；addrlen 指定该地址的长度

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buff, size_t len, int flags,struct sockaddr* src_addr, socklen_t *addrlen);ssize_t sendto(int sockfd, void *buff, size_t len, int flags,struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen);

• close

close()关闭一个连接，实际上就是关闭该连接对应的 socket

int close(int sockfd);

• connect

connect()客户端需要通过此系统调用来主动与服务器建立连接，成功返回 0，失败返回-1

sockfd 参数是由 socket()返回的一个 socket。 serv_addr 是服务器监听的 socket 地址 ；addrlen 则指定这个地址的长度

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