Linux C 网络编程（一）

OSI七层网络模型

建立七层网络模型的目的是为了让不同的制造商在网络上通信，比如我A主机是苹果公司生产，操作系统是苹果，B主机是IBM公司生产，操作系统是windows，在AB主机软硬件都不同的情况下通过七层网络模型就可以互相通信了。
下面阐述一下各层的作用：

1 应用层就是应用软件，定义一些网络通信和数据传输的接口。
2表示层掩盖系统中数据格式的不同性，制定独立结构的数据传输格式，差不多跟格式转换工程类似。
3会话层管理用户会话和对话，报告上一层得错误。
4 传输层管理网络中端到端的信息传送，通过错误纠正和流控制机制提高可靠有序的数据包传送，典型的有TCP/UDP协议。
5网络层就是网络中如何传送数据，传到那里去? 比如IP协议，ARP等等。
6数据链路层封装数据包
7物理层就是用什么方式通信啊，光纤？封装数据包为数据帧。

这7层都是层层相扣的，假如A主机想发信息给B主机，A主机的信息首先发生到A主机的应用层，然后表示层…最后通过物理层（比如网线）到B主机的数据链路层,到应用层，最后到终端，B主机用户就能看见A主机所发的信息。A主机在发送信息的过程每层都封装了B主机的信息。数据在各层传送，每层都封装了上层的头和尾，协议头保护层与层直接的通信机制，比如传输层TCP就封装了IP协议。

关于传输层TCP协议
TCP（Transmission Control Protocol）功能：对建立网络上用户进程之间的对话负责，它确保进程之间的可靠通信，所提供的功能如下：

监听输入对话建立请求
请求另一网络站点对话
可靠的发送和接收数据
适度的关闭对话
UDP（User Datagram Protocol）提供不可靠的非连接型传输层服务，它允许在源和目的地之间传送数据，而不必在传送数据之前建立对话。它主要用于那些非连接型的应用程序，如：视频点播。
IP协议 IP的主要目的是为数据输入/输出网络提供基本算法，为高层协议提供无连接的传送服务。这意味着在IP将数据递交给接收站点以前不在传输站点和接收站点之间建立对话。它只是封装和传递数据，但不向发送者或接收者报告包的状态，不处理所遇到的故障。IP包由IP协议头与协议数据两部分构成。协议头主要存放一些源和目的的IP等信息。
TCP和UDP的区别：TCP提高的是可靠的交换，目的机接受到信息将发送确认信息给源机。UDP提高无连接，不可靠的传输服务，目的机接收到信息不会发生确认信息给源机。即使发送错信息也不会向发送方报错，另外UDP传输比TCP传输更快。

Linux中的网络编程通过Socket(套接字)接口实现，Socket是一种文件描述符。

地址结构：
struct sockaddr
{
u_short sa_family;
char sa_data[14];
}
sa_family 地址族，采用“AF_xxx”的形式，如：AF_INET。
Sa_data：14字节的特定协议地址。

编程中一般并不直接针对sockaddr数据结构操作，而是使用与sockaddr等价的sockaddr_in数据结构

struct sockaddr_in
{
short int sin_family; /* Internet地址族*/
unsigned short int sin_port; /* 端口号*/
struct in_addr sin_addr; /* IP地址*/
unsigned char sin_zero[8]; /* 填0 */
}
struct in_addr
{
unsigned long s_addr;
}

S_addr: 32位的地址。
在网络上标识一台机器可以用IP，也可以使用主机名。

struct hostent *gethostbyname(const char *hostname)
struct hostent
{
char *h_name; /* 主机的正式名称*/
char *h_aliases; /* 主机的别名*/
int h_addrtype; /* 主机的地址类型AF_INET*/
int h_length; /* 主机的地址长度*/
char **h_addr_list; /* 主机的IP地址列表*/
}
#define h_addr h_addr_list[0] /* 主机的第一个IP地址*/

基于TCP网络程序设计的算法如下：

server机
利用socket函数创建一个套接字
利用bind函数绑定server地址
利用listen函数设置最大可服务的服务器数目。　　　　　　　　　　　　
利用accept函数接受client的数据。
接受数据/发送数据
client机
利用socket函数创建一个套接字
利用bind函数绑定server地址
利用connect函数与server机连接
发送数据/接受数据。

下面是一个基于tcp协议的程序

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#define NUMBER_PORT 3333
int main(void)
{
　　　　int socket_fd,new_fd;
　　　　char buf[1024];
　　　　int sin_size,nbytes,i;
　　　　struct sockaddr_in server_addr,client_addr;
　　　　socket_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
　　　　bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
　　　　server_addr.sin_family=AF_INET;
　　　　server_addr.sin_port=htons(NUMBER_PORT);
　　　　server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
　　　　bind(socket_fd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr));
　　　　listen(socket_fd,5)
　　　　while(1)
{
　　　　sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
　　　　new_fd=accept(socket_fd,(struct sockaddr *)(&client_addr),&sin_size);
　　　　fprintf(stderr,"Server get connection from %s\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
　　　　nbytes=read(new_fd,buf,1024);
　　　　printf("receive %s \n",buf);
　　　　for(i=0;i<nbytes;i++)
　　　　buf[i]=toupper(buf[i]);
　　　　write(new_fd,buf,1024);
　　　　close(new_fd);
}
　　　　close(socket_fd);
　　　return 0;
}
 
/*client*/
include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#define NUMBER_PORT 3333
int main(int argc,char *argv[])
{　　　　
　　struct sockaddr_in server_addr;
　　　　int socket_fd;
　　　　char buf[1024];
　　　　socket_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
　　　　bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
　　　　host=gethostname(argv[1]);
　　　　server_addr.sin_family=AF_INET;
　　　　server_addr.sin_port=htons(NUMBER_PORT);
　　　　server_addr.sin_addr=*(struct in_addr *)host->h_addr;
　　　　connect(socket_fd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr));
　　　　　printf("please inpuy char : \n");
　　　　fgets(buf,1024,stdin);
　　　　write(socket_fd,buf,strlen(buf));
　　　　read(socket_fd,buf,1024);
　　　　printf("recevie %s from server \n",buf);
　　　　close(socket_fd);
　　　　exit(0);　　　
}

程序运行结果;
基于UDP协议算法如下

server机
1 利用socket创建一个套接字
2利用bind函数绑定server地址 
3循环接收数据，用函数recvfrom()，发送数据用sendto();
4关闭连接
client机
1 利用socket创建一个套接字
2利用bind函数绑定server地址 
3循环接收数据，用函数recvfrom()，发送数据用sendto();
4关闭连接

因为UDP是无连接协议，所以算法简单。
下面是一个简单的UDP程序

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#define SERVER_PORT 8888
int main(void)
{
　　int socket_fd,sin_size,i;
　　　　struct sockaddr_in server_addr,client_addr;
　　　　char buf[1024];
　　　　sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
　　　　bzero(&addr,sizeof(struct sockaddr_in));
　　　　 addr.sin_family=AF_INET; 
 　　　　addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); 
 　　　　addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
　　　　bind(socket_fd,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(struct soockaddr));
　　　　sin_size=sizeof(struct sockaddr);
　　　　n=recvfrom(socket_fd,buf,1024,0,(struct sockaddr *)&client_addr,&sin_size);
　　　　printf("receive %s from client \n",buf);
　　　　for(i=0;i<n;i++)
　　　　buf[i]=toupper(buf[i]);
　　　　n=sendto(socket_fd,buf,1024,0,(struct sockaddr *)&client_addr,&sin_size);
　　　　close(socket_fd);
}
 
/*client*/
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#define SERVER_PORT 8888
#define MAX_BUF_SIZE 1024
void udpc_requ(int sockfd,const struct sockaddr_in *addr,int len)
{
 char buffer[MAX_BUF_SIZE];
 int n;
 while(1)
 {
/* 从键盘读入,写到服务端 */
  printf("Please input char:\n");
  fgets(buffer,MAX_BUF_SIZE,stdin);
  sendto(sockfd,buffer,strlen(buffer),0,addr,len);
  bzero(buffer,MAX_BUF_SIZE);
n=recvfrom(sockfd,buffer,MAX_MSG_SIZE,0,(struct sockaddr*)addr,&len); }
}
int main(int argc,char **argv)
{
int sockfd;
 struct sockaddr_in addr;
 if(argc!=2)
 {
 fprintf(stderr,"Usage:%s server_ip\n",argv[0]);
  exit(1);
 }
 sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
 if(sockfd<0)
 {
  fprintf(stderr,"Socket Error:%s\n",strerror(errno));
  exit(1);
 }
 /* 填充服务端的资料 */
 bzero(&addr,sizeof(struct sockaddr_in));
 addr.sin_family=AF_INET;
addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
 if(inet_aton(argv[1],&addr.sin_addr)<0)  
{
  fprintf(stderr,"Ip error:%s\n",strerror(errno));
  exit(1);
 }
 udpc_requ(sockfd,&addr,sizeof(struct sockaddr_in));  close(sockfd);
}

分析：通过例子以及程序的调试，可以知道UDP和TCP协议传输数据的区别，TCP协议传输数据时，是点到点的传送，当server和client在通信时，同IP的client不能和server通信，如图：
无法返回数据，说明TCP协议下，如果server与client已经握手，那么同IP的client不能与server通信。
而在UDP协议下传输数据时，当server和client在通信时，假如同IPclient 试图与server通信时，如图：
其中cas是另外一个同IP的client发送的数据，说明UDP是无连接的，而且可以无法确定数据传输的可靠性。
下面是一个TCP协议的并发服务程序：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#define MY_PORT 3333
int main(int argc ,char **argv)
{
 int listen_fd,accept_fd;
 struct sockaddr_in     client_addr;
 int n;
 
 if((listen_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
  {
        printf("Socket Error:%s\n\a",strerror(errno));
        exit(1);
  }
 
 bzero(&client_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
 client_addr.sin_family=AF_INET;
 client_addr.sin_port=htons(MY_PORT);
 client_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
 n=1;
  if(bind(listen_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,sizeof(client_addr))<0)
  {
        printf("Bind Error:%s\n\a",strerror(errno));
        exit(1);
  }
  listen(listen_fd,5);
  while(1)
  {
   accept_fd=accept(listen_fd,NULL,NULL);
   if((accept_fd<0)&&(errno==EINTR))
          continue;
   else if(accept_fd<0)
    {
        printf("Accept Error:%s\n\a",strerror(errno));
        continue;
    }
  if((n=fork())==0)
   {
        /* 子进程处理客户端的连接 */
        char buffer[1024];
        close(listen_fd);
        n=read(accept_fd,buffer,1024);
        write(accept_fd,buffer,n);
        close(accept_fd);
        exit(0);
   }
   else if(n<0)
        printf("Fork Error:%s\n\a",strerror(errno));
   close(accept_fd);
  }
}

Linux C 网络编程（一）

OSI七层网络模型

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