Linux网络编程——socket套接字

socket编程

Linux系统采用了Socket套接字，因此，Socket接口就被广泛使用，到现在已经成为事实上的标准。与套接字相关的函数被包含在头文件sys/socket.h中。
网络通信的主体主要分为两部分：客户端和服务器端。在客户端和服务器通信的时候需要频繁提到三个概念：IP、端口、通信数据，下面介绍一下需要注意的一些细节问题。

字节序

在各种计算机体系结构中，对于字节、字等的存储机制有所不同，因而引发了计算机通信领域中一个很重要的问题，即通信双方交流的信息单元（比特、字节、字、双字等等）应该以什么样的顺序进行传送。如果不达成一致的规则，通信双方将无法进行正确的编/译码从而导致通信失败。
字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，也就是说对于单字符来说是没有字节序问题的，字符串是单字符的集合，因此字符串也没有字节序问题。

Little-Endian -> 主机字节序 (小端)

• 数据的低位字节存储到内存的低地址位, 数据的高位字节存储到内存的高地址位
• 我们使用的PC机，数据的存储默认使用的是小端

Big-Endian -> 网络字节序 (大端)

• 据的低位字节存储到内存的高地址位, 数据的高位字节存储到内存的低地址位
• 套接字通信过程中操作的数据都是大端存储的，包括：接收/发送的数据、IP地址、端口。

字节序举例

// 有一个16进制的数, 有32位 (int): 0xab5c01ff
// 字节序, 最小的单位: char 字节, int 有4个字节, 需要将其拆分为4份
// 一个字节 unsigned char, 最大值是 255(十进制) ==> ff(16进制)
内存低地址位 内存的高地址位
--------------------------------------------------------------------------->
小端: 0xff 0x01 0x5c 0xab
大端: 0xab 0x5c 0x01 0xff

函数

BSD Socket提供了封装好的转换接口，方便程序员使用。包括从主机字节序到网络字节序的转换函数：htons、htonl；从网络字节序到主机字节序的转换函数：ntohs、ntohl。

#include <arpa/inet.h>
// u:unsigned
// 16: 16位, 32:32位
// h: host, 主机字节序
// n: net, 网络字节序
// s: short
// l: int

// 这套api主要用于 网络通信过程中 IP 和 端口 的 转换
// 将一个短整形从主机字节序 -> 网络字节序
uint16_t htons(uint16_t hostshort);	
// 将一个整形从主机字节序 -> 网络字节序
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);	

// 将一个短整形从网络字节序 -> 主机字节序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort)
// 将一个整形从网络字节序 -> 主机字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

IP地址转换

虽然IP地址本质是一个整形数，但是在使用的过程中都是通过一个字符串来描述，下面的函数描述了如何将一个字符串类型的IP地址进行大小端转换：

# 主机字节序的IP地址转换为网络字节序
# 主机字节序的IP地址是字符串, 网络字节序IP地址是整形
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst); 

• 参数:
• af: 地址族(IP地址的家族包括ipv4和ipv6)协议
• AF_INET: ipv4格式的ip地址
• AF_INET6: ipv6格式的ip地址
• src: 传入参数, 对应要转换的点分十进制的ip地址: 192.168.1.100
• dst: 传出参数, 函数调用完成, 转换得到的大端整形IP被写入到这块内存中
• 返回值：成功返回1，失败返回0或者-1

#include <arpa/inet.h>
# 将大端的整形数, 转换为小端的点分十进制的IP地址        
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

• 参数:
• af: 地址族协议:

 AF_INET: ipv4格式的ip地址
 AF_INET6: ipv6格式的ip地址

• src: 传入参数, 这个指针指向的内存中存储了大端的整形IP地址
• dst: 传出参数, 存储转换得到的小端的点分十进制的IP地址
• size: 修饰dst参数的, 标记dst指向的内存中最多可以存储多少个字节
• 返回值:
• 成功: 指针指向第三个参数对应的内存地址, 通过返回值也可以直接取出转换得到的IP字符串
• 失败: NULL
  还有一组函数也能进程IP地址大小端的转换，但是只能处理ipv4的ip地址：

# 点分十进制IP -> 大端整形
in_addr_t inet_addr (const char *cp);

# 大端整形 -> 点分十进制IP
char* inet_ntoa(struct in_addr in);

sockaddr 数据结构

// 在写数据的时候不好用
struct sockaddr {
    
    
	sa_family_t sa_family;       // 地址族协议, ipv4
	char        sa_data[14];     // 端口(2字节) + IP地址(4字节) + 填充(8字节)
}

typedef unsigned short  uint16_t;
typedef unsigned int    uint32_t;
typedef uint16_t in_port_t;
typedef uint32_t in_addr_t;
typedef unsigned short int sa_family_t;
#define __SOCKADDR_COMMON_SIZE (sizeof (unsigned short int))

struct in_addr
{
    
    
    in_addr_t s_addr;
};  

// sizeof(struct sockaddr) == sizeof(struct sockaddr_in)
struct sockaddr_in
{
    
    
    sa_family_t sin_family;		/* 地址族协议: AF_INET */
    in_port_t sin_port;         /* 端口, 2字节-> 大端  */
    struct in_addr sin_addr;    /* IP地址, 4字节 -> 大端  */
    /* 填充 8字节 */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) - sizeof(sin_family) -
               sizeof (in_port_t) - sizeof (struct in_addr)];
};  

套接字函数

使用套接字通信函数需要包含头文件<arpa/inet.h>，包含了这个头文件<sys/socket.h>就不用在包含了。

# 创建一个套接字
int socket(int domain, int type, int protocol);

• 参数:
• domain: 使用的地址族协议

 AF_INET: 使用IPv4格式的ip地址
 AF_INET6: 使用IPv4格式的ip地址

• type:
• SOCK_STREAM: 使用流式的传输协议
• SOCK_DGRAM: 使用报式(报文)的传输协议
• protocol: 一般写0即可, 使用默认的协议

 SOCK_STREAM: 流式传输默认使用的是tcp
 SOCK_DGRAM: 报式传输默认使用的udp

• 返回值:
• 成功: 可用于套接字通信的文件描述符
• 失败: -1

函数的返回值是一个文件描述符，通过这个文件描述符可以操作内核中的某一块内存，网络通信是基于这个文件描述符来完成的。

# 将文件描述符和本地的IP与端口进行绑定   
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 参数:
• sockfd: 监听的文件描述符, 通过socket()调用得到的返回值
• addr: 传入参数, 要绑定的IP和端口信息需要初始化到这个结构体中，IP和端口要转换为网络字节序
• addrlen: 参数addr指向的内存大小, sizeof(struct sockaddr)
• 返回值：成功返回0，失败返回-1

# 给监听的套接字设置监听
int listen(int sockfd, int backlog);

• 参数:
• sockfd: 文件描述符, 可以通过调用socket()得到，在监听之前必须要绑定 bind()
• backlog: 同时能处理的最大连接要求，最大值为128
• 返回值：函数调用成功返回0，调用失败返回 -1

# 等待并接受客户端的连接请求, 建立新的连接, 会得到一个新的文件描述符(通信的)		
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• 参数:
• sockfd: 监听的文件描述符
• addr: 传出参数, 里边存储了建立连接的客户端的地址信息
• addrlen: 传入传出参数，用于存储addr指向的内存大小
• 返回值：函数调用成功，得到一个文件描述符, 用于和建立连接的这个客户端通信，调用失败返回 -1

这个函数是一个阻塞函数，当没有新的客户端连接请求的时候，该函数阻塞；当检测到有新的客户端连接请求时，阻塞解除，新连接就建立了，得到的返回值也是一个文件描述符，基于这个文件描述符就可以和客户端通信了。

# 接收数据
ssize_t read(int sockfd, void *buf, size_t size);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t size, int flags);

• 参数:
• sockfd: 用于通信的文件描述符, accept() 函数的返回值
• buf: 指向一块有效内存, 用于存储接收是数据
• size: 参数buf指向的内存的容量
• flags: 特殊的属性, 一般不使用, 指定为 0
• 返回值:
• 大于0：实际接收的字节数
• 等于0：对方断开了连接
• -1：接收数据失败了

如果连接没有断开，接收端接收不到数据，接收数据的函数会阻塞等待数据到达，数据到达后函数解除阻塞，开始接收数据，当发送端断开连接，接收端无法接收到任何数据，但是这时候就不会阻塞了，函数直接返回0。

#发送数据的函数
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t len);
ssize_t send(int fd, const void *buf, size_t len, int flags);

参数:

• fd: 通信的文件描述符, accept() 函数的返回值
• buf: 传入参数, 要发送的字符串
• len: 要发送的字符串的长度
• flags: 特殊的属性, 一般不使用, 指定为 0
• 返回值：
• 大于0：实际发送的字节数，和参数len是相等的
• -1：发送数据失败了

#成功连接服务器之后, 客户端会自动随机绑定一个端口
#服务器端调用accept()的函数, 第二个参数存储的就是客户端的IP和端口信息
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 参数:
• sockfd: 通信的文件描述符, 通过调用socket()函数就得到了
• addr: 存储了要连接的服务器端的地址信息: iP 和 端口，这个IP和端口也需要转换为大端然后再赋值
  oaddrlen: addr指针指向的内存的大小 sizeof(struct sockaddr)
• 返回值：连接成功返回0，连接失败返回-1