04 网络编程

Linux网络编程

网络编程实际上就是在应用层调用Socket相关的系统调用，Socket是操作系统内核向应用层提供的一种进程间通信机制，它使得相同/不同主机上的进程可以都进行通信。两个进程通过Socket连接后，实际上就相当于到了OSI模型的传输层

除了Socket之外，在应用层可能还会使用一些更为高级的网络编程接口，比如http，websocket等，这些接口实际上都是对Socket接口的一种更高级别的封装

Linux的Socket库本身并没有客户端、服务器的概念，我们通常是根据某个进程使用Socket的具体行为来把它定为客户端或服务器的

在进行网络编程时，需要建立连接的每个进程内都需要创建一个Socket对象，且建立连接时会得到一个新的Socket对象

从类的思想看Socket，其包括IP地址、所使用协议等属性；包括绑定IP地址、进入监听状态，发起连接，建立连接等行为，即是一个封装了网络相关操作的一个类

1.系统调用

1.1创建套接字对象

socket()函数与open()函数类似，如果成功则返回一个文件描述符，该描述符被后续操作所使用

创建Socket对象时，在Linux内核中实际上也会在VFS创建一个struct file文件对象，同时这个实例是sokcet类型的

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

1.domain 参数 (协议族/地址族)

该参数指定套接字所使用的协议族或地址族，决定了套接字使用的通信协议。常用的选项包括：

• AF_INET：IPv4 网络协议
• AF_INET6：IPv6 网络协议
• AF_UNIX / AF_LOCAL：本地通信（也称作 UNIX 域套接字，适用于同一台机器上的进程间通信）
• AF_PACKET：用于直接访问底层网络设备

2.type 参数 (套接字类型)

该参数指定套接字的类型，决定了如何传输数据。常用的选项包括：

• SOCK_STREAM：面向连接的字节流套接字（通常用于 TCP）
• SOCK_DGRAM：无连接的数据报套接字（通常用于 UDP）
• SOCK_RAW：原始套接字，允许程序访问低层协议
• SOCK_SEQPACKET：有序且可靠的数据包交付（类似 SOCK_STREAM 但对每个数据块保持边界）

3.protocol 参数 (具体协议)

该参数指定应使用的协议。==通常，这个参数被设为 0，意味着选择默认协议==。如果你明确想要指定协议，则可以选择：

• IPPROTO_TCP：表示 TCP 协议
• IPPROTO_UDP：表示 UDP 协议
• IPPROTO_ICMP：表示 ICMP 协议
• IPPROTO_RAW：使用自定义协议，常用于 SOCK_RAW 类型的套接字

在多数情况下，将该参数设置为 0 就会选择默认的协议。例如，如果 domain 是 AF_INET 且 type 是 SOCK_STREAM，则 protocol 为 0 会选择 TCP

1.2绑定IP及端口

通常使用bind()系统调用将创建的一个套接字绑定到指定的IP和端口

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

• sockfd：某个套接字对象的文件描述符

• bind()函数不是总需要被调用的：一般来讲，会将一个服务器的套接字绑定到一个固定的IP地址，即一个要与服务器通信的客户端事先就知道了服务器的IP地址。如果不绑定IP地址和端口，则程序可以依赖内核的自动选址机制来自动完成地址的选择，通常客户端程序会这样做

1.3监听

只有服务端需要进入监听状态，等待客户端的连接请求，进入监听状态所使用的函数如下：

int listen(int sockfd, int backlog);

• sockfd：某个套接字对象的文件描述符
• backlog：请求队列的长度

listen()函数需要在bind()函数之后被调用，在accept()函数之前被调用。

无法在一个已经连接的套接字（即已经成功执行 connect()的套接字或由 accept()调用返回的套接字）上执行 listen()

1.4等待连接请求

服务器在进入监听状态后，等待客户端的连接请求，使用accept()函数可以获取客户端的连接请求并建立连接，其原型如下==(只有服务器才能调用)==：

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

• 如果调用accept()函数时，服务器并没有收到客户端的连接请求，则服务器进程将进入阻塞态，直到收到客户端的请求为止

• 在成功建立连接后，accept()函数将创建一个新的套接字对象并返回一个新的网络文件描述符，这个文件描述符和Socket()返回的不一样，Socket()返回的是服务器（以服务器为例）的套接字的文件描述符，而accept()函数返回套接字连接到调用connet()的客户端，服务器通过这个新的套接字与客户端进行交互

1.5请求连接

客户端需要与远程的服务器建立连接以获取资源，其所使用的函数如下：

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

• 成功调用返回0，否则返回-1

客户端通过 connect()函数请求与服务器建立连接

• 对于TCP来说，调用该函数将发生TCP的3次握手过程，并最终建立一个TCP连接
• 对于UDP来说，调用这个函数只是在sockfd中记录服务器IP地址与端口号，而不发送任何数据

1.6发送和接收数据

一旦客户端与服务器建立好连接后，就可以使用套接字描述符来收发数据了，客户端需要使用socket()返回的描述符，服务器需要使用accept()返回的描述符

• 接收数据：可以使用read()函数或者recv()函数，后者可以设置一些标志位来控制如何接受数据
• 发送数据：可以使用write()函数或者send()函数，后者可以设置一些标志位来控制如何发送数据

在进行I/O操作时，可能会使进程进入阻塞态

1.7关闭套接字

使用close()函数可以关闭套接字，并释放相应资源

1.8使用流程

综上所述，服务端和客户端使用的API其实是有所不同的，看下图总结：

1.9服务端示例代码

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    struct sockaddr_in server_addr = {0};
    struct sockaddr_in client_addr = {0};
    int server_fd;
    int client_fd;
    char ip_str[20]    = {0};
    char buf[512] = {0};

    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd < 0)
    {
        perror("socket error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置并绑定套接字的地址、端口、协议
    server_addr.sin_family      = AF_INET;
    server_addr.sin_port        = htons(8888);
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //监听所有地址

    int ret = bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (0 > ret)
    {
        perror("bind error");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 使服务器进入监听状态
    ret = listen(server_fd, 50);
    if (0 > ret)
    {
        perror("listen error");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 阻塞等待有客户端发起连接
    socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
    client_fd          = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);

    printf("有客户端接入...\n");
    inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip_str, sizeof(ip_str));
    printf("客户端主机的 IP 地址: %s\n", ip_str);
    printf("客户端进程的端口号: %d\n", client_addr.sin_port);

    // 接收客户端发送过来的数据
    while (1)
    {
        memset(buf, 0x0, sizeof(buf));

        // 阻塞读数据
        ret = recv(client_fd, buf, sizeof(buf), 0);
        if (0 >= ret)
        {
            perror("recv error");
            close(client_fd);
            break;
        }
        printf("from client: %s\n", buf);
    }
    close(server_fd);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

1.10客户端示例代码

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    struct sockaddr_in client_addr = {0};
    int client_fd;
    char ip_str[20] = {0};
    char buf[512]   = {0};

    client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (client_fd < 0)
    {
        perror("socket error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置并绑定套接字的地址、端口、协议
    client_addr.sin_family = AF_INET;
    client_addr.sin_port   = htons(8888);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &client_addr.sin_addr);

    // 阻塞连接服务器
    int ret = connect(client_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, sizeof(client_addr));
    if (0 > ret)
    {
        perror("connect error");
        close(client_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("服务器连接成功...\n\n");

    // 发送数据
    while (1)
    {
        memset(buf, 0x0, sizeof(buf));

        // 接收用户输入的字符串数据
        printf("Please enter a string: ");
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);

        // 将用户输入的数据发送给服务器
        ret = send(client_fd, buf, strlen(buf), 0);
        if (0 > ret)
        {
            perror("send error");
            break;
        }
    }
    close(client_fd);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

2.地址转换API

在网络编程时，除了要使用一些系统调用，还有一些C的库函数可以使用，主要用在地址转换方面：

常见的 IP 地址转换 API 包括：

1.inet_pton()

• 用于将文本形式的 IP 地址（如 "192.168.1.1"）转换为二进制格式（如 struct in_addr 或 struct in6_addr）。
• pton 代表“presentation to network”（表示形式到网络形式）。

2.inet_ntop()

• 将二进制格式的 IP 地址（如 struct in_addr 或 struct in6_addr）转换为文本形式（如 "192.168.1.1"）。
• ntop 代表“network to presentation”（网络形式到表示形式）。

3.inet_addr() 和 inet_aton()

• 这些函数将文本形式的 IPv4 地址转换为网络字节序的二进制格式。
• inet_addr() 返回一个 in_addr_t 类型的整数，而 inet_aton() 则将结果存储在 struct in_addr 中

4.gethostbyname() 和 gethostbyaddr()

• 这些函数用于将主机名（如 www.example.com）转换为 IP 地址，或将 IP 地址转换为主机名。