走进 C/C++后台开发的第五步： Linux网络编程

一. TCP/IP协议

协议即： 通信双方必须遵循的规则， 由ISO规定， RFC 文档。

1. OSI 七层模型 与 TCP/IP 四层模型

2. TCP/IP 协议族的成员们

• 应用层（http 超文本传输协议 ftp 文件传输协议， telnet 远程登录协议， ssh 安全外壳协议， smtp 简单邮件发送协议， pop3 接收邮件协议）
• 传输层 （tcp 传输控制协议， udp 用户数据包协议）
• 网络层 （ip 网络互联协议， icmp 网络控制消息协议， igmp 网络组管理协议）
• 网络接口层（arp 地址转换协议， rarp 反向地址转换协议， mpls 多协议标签交换）

每一层负责的工作：

• 网络接口层： 负责将二进制流转换为数据帧，并进行数据帧的发送和接收， 数据帧是独立的网络信息传输单元。
• 网络层：负责将数据帧封装层IP数据报，并运行必要的路由算法。负责点到点的传输（主机或路由器）。
• 传输层： 负责端对端之间的通信会话连接和建立，传输协议的选择根据数据传输的方式而定，负责端到端的传输（源主机与目的主机）
• 应用层： 负责应用程序的网络访问，通过端口号来识别各个不同的进程。
  
  

3. ip协议与路由器

其中网络层的 ip 协议是构成 Internet 的基础， 互联网的主机通过IP地址来表示，且互联网上有大量路由器
负责根据IP地址选择合适的路径转发数据包。

路由器是在工作在网络层的网络设备，同时兼有交换机的功能，可以在不同的链路层接口之间转发数据包。

IP 协议不保证数据传输的可靠性，数据包在传输过程中可能丢失， 可靠性可用在上层协议或应用程序中提供支持。

4.每一层相关协议的注解

“IP地址和MAC地址相同点是它们都唯一,不同的特点主要有: 对于网络上的某一设备,如一台计算机或一台路由器,其IP地址是基于网络拓扑设计出的,同一台设备或计算机上,改动IP地址是很容易的(但必须唯一),而MAC则是生产厂商烧录好的,一般不能改动。

• ARP: (地址转换协议)用于获得同一物理网络中的硬件主机地址（MAC），是设备通过知道的IP地址获得主机不知道的物理地址的协议。

• RARP: （反向地址转换协议）允许局域网的物理机器从网关服务器的 ARP表或缓存上请求其IP地址。

• IP ：（网际互联协议）负责在主机和网络之间寻址和路由转发数据包。

• ICMP：（网络控制消息协议）用于发送报告有关数据包的传送错误的协议。

• IGMP：（网络组管理协议）被 IP 主机用来向本地多路广播路由器报告主机组成员的的协议，主机与本地路由器之间使用 Internet
  组管理协议来进行组播组成员信息的交互。

• TCP：（传输控制协议）为用户提供可靠的通信连接。 适合于一次传输大批数据的情况，并适用于要求得到响应的应用程序。

• UDP: （用户数据包协议）提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠的保证，适用于一次传输少量数据。

二. 网络相关概念

1. socket 概念

Linux 中的网络编程是通过 socket 接口来进行的。

特点：

• socket 是一种特殊的I/O接口，也是一种文件描述符
• socket 是常用的进程间通信机制（同机器或非同机器之间均可）

组成：

• 每一个socket 都用一个半相关描述{ 协议， 本地地址，本地端口} 表示，完整的套接字使用一个 相关描述{协议，本地地址，本地端口， 目的地址，目的端口} 表示
• socket 类似于文件的函数调用，使用其返回一个socket描述符，随后的连接建立，数据传输等操作均通过 socket来实现。

2. socket 类型

(1) 流式 socket(SOCKET_STREAM) -> 用于 TCP 通信
(2) 数据报 socket(SOCKET_DGRAM) -> 用于 UDP通信
(3) 原始 socket(SOCKET_RAW)-> 用于新的网络协议实现的测试等

原始套接字允许对底层协议如IP和ICMP进行直接访问，功能强大但使用不便，主要用于一些协议的开发。

3. socket 信息数据结构

#include <netinet/in.h>
struct sockaddr {
    
    
  unsigned short sa_family; //地址族
  char sa_data[14];         //14字节的协议地址包含其socket的IP地址于端口号
};

struct sockaddr_in {
    
     //在sockaddr上进行了划分，使得端口，ip分开（常用）
   short int sin_family;
   unsigned short int sin_port;
   struct in_addr sin_addr; 
   unsigned char sin_zero[8];  //填充的字节，与sockaddr保持一样大小
};

struct in_addr {
    
    
   in_addr_t s_addr; //32位ipv4地址，网络字节序
}

sin_family: AF_INET-> IPV4 协议      AF_INET6 -> IPV6协议

4.数据存储优先顺序的转换

在计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先（大端模式）和低位字节优先

• 内存的低地址存储数据的低字节，高地址存放数据的高字节的方式叫小端模式。
• 内存的高地址存储数据的低字节，低地址存放数据的高字节的方式叫大端模式

例如： 10 在 内存中存放的是 0x00000000a;

大端模式即： 0x00000000a
小端模式即： 0x0a0000000

可以用 char* 取一个int类型的变量的地址（用10），得到如果解引用后是10，那么是小端，是0则是大端
因为指针总是取一个变量的低地址开始（栈的地址是向下增长）

但是呢，在网络中的端口号和IP地址都是以网络字节序（大端法），因此我们需要对这两个变量的字节存储优先顺序进行相互转化。
这里用到4个函数：

#include <netinet/in.h>
uint16_t htons(unit16_t host16bit);  从host16位比特转换位 network 的short类型（用于端口转换）
uint16_t ntohs(unit16_t net16bit);    反转
unit32_t htonl(unit32_t host32bit);  从host32位比特转换为 network的long 类型(用于ip转换)
unit32_t ntohl(unit32_t net32bit);    反转

成功：返回转换的字节序
失败：返回-1

5. 地址格式转换

我们在表达地址时经常采用的是点分十进制表示的数值，而socket 编程中使用的是32位的网络字节序的二进制值
，这就需要对其两个数值进行转换。

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>


in_addr_t inet_addr(const char *straddr); //将点分十进制转换为 32位二进制的网络字节序地址
char *inet_ntoa(struct in_addr inaddr); //将32位二进制网络字节序地址转换为点分十进制

三. Socket 编程

1. 使用TCP协议的流程图

服务器端：

1. 头文件

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

2. socket 函数： 生成套接口描述符

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

参数：

• domain { AF_INET: IPV4 协议， AF_INET4: IPV6 网络协议}
• type { SOCK_STREAM: TCP SOCK_DGRAM: UDP }
• protocol ： 指定socket 所使用的传输协议编号， 通常为0

返回值： 成功返回套接口描述符，失败返回 -1；

演示：

int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sfd == -1) {
    
    
  perror("socket");
  exit(-1); 
}

3. bind 函数：用来绑定一个端口号和 IP地址，使套接口与指定的端口号和IP地址相关联，

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

参数：

• sockfd ： 为前面socket的返回值
• my_addr: 为结构体指针变量 （可使用 sockaddr_in 输入其信息，并强制转换为 sockaddr）
• addrlen : sockaddr 的结构体长度，通常是计算 sizeof(struct sockaddr);

返回： 成功返回0，失败返回 -1

演示：

struct sockaddr_in my_addr;
memset(&my_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_port = htons(8888);
my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.2.100")

if(bind(sfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
{
    
    
   perror("bind");
   close(sfd);
   exit(-1);;
}

快捷方式：

• 通过将 my_addr.sin_port 置为 0，函数会自动选择未占用的端口使用，
• 通过将 my_addr.sin_addr.s_addr 置为 INADDR_ANY，系统会自动填入本机IP地址
  
  

4. listen 函数：使服务器的这个端口和 IP处于监听状态，等待网络中客户端的连接请求，如果
客户端有连接请求，端口就会接收这个连接。

int listen(int sockfd, int backlog);

参数：

• sockfd ： 为socket的返回值，即 sfd
• backlg： 指定同时能处理的最大连接要求，通常为 10 或 5，最大值可设置 12（半连接队列的大小，第一次握手后将客户端syn加入）

返回值： 成功返回0，失败则返回 -1

常用实例：

if(listen(sfd, 10) == -1) {
    
    
  perror("listen");
  close(sfd);
  exit(-1);
}

5. accept函数： 接收远程客户端的连接请求，并将该请求放于等待队列，闲暇时刻返回该 socket 标识符，用其可与
连接的客户端 socket 进行通信。

（当accept 返回时，返回的socket代表已经完成3次握手的客户端）

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

参数：

• sockfd 为前面 socket 的返回值，即 sfd
• addr：为结构体变量，和 bind 的结构体是同类型，系统会把远程主机的信息（远程主机的地址和端口号信息）保存到这个指针所指的结构体中。
• addrlen： 表示结构体的长度，为整型指针

返回值： 成功则返回新的 socket 处理代码 new_fd, 失败返回 -1

实例：

struct sockaddr_in clientaddr;
memset(&clientaddr, 0, sizeof(struct sockaddr));
int addrlen = sizeof(struct sockaddr);
int new_fd = accept(sfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &addrlen);
if(new_fd == -1) {
    
    
  perror("accept");
  close(new_fd);
  exit(-1);
}

6. recv 函数：用与客户端通信的socket来接收远端主机传来的数据，并把数据存到由参数buf指向的内存空间。

int recv(int sockfd, void *buff, int len, unsigned int flags);

参数：

• sockfd: 为前面accept的返回值，即 new_fd, 也就是新的套接字
• buf： 表示缓冲区
• len： 表示缓冲区的长度
• flags： 通常为 0

返回值： 成功返回实际接收到的字符数，可能少于你所指定的接收长度。 失败返回 -1

实例：

char  buf[512] = {
    
    0};
if(recv(new_fd, buf, sizeof(buf), 0) == -1) {
    
    
  perror("recv");
  close(new_fd);
  close(sfd);
  exit(-1);
}

7. send函数： 用新的套接字发送数据给指定的远端主机

int send(int client_fd, const void *msg, int len, unsigned int flags);

参数：

• client_fd: 为accept 的返回值，
• msg：一般为常量字符串
• len：表示长度
• flags：通常为 0

返回值： 成功则返回实际传送出去的字符数， 可能少于你指定的发送长度，失败则返回 -1

常用实例：

if(send(new_fd, "hello", 6,0) == -1) {
    
    
  perror("send");
  close(new_fd);
  close(sfd);
  exit(-1);
}

8. close函数：当使用完文件后若已不再需要则可使用 close（）关闭该文件，并且 close() 会让数据写回磁盘

int close(int fd);

参数：

• fd : 为前面的 sfd

返回值： 若文件顺利关闭返回 0， 发生错误时返回 -1

注意：close 的 fd， 遵循引用计数原则，dup机制

客户端：

1. connect 函数： 用来连接远程服务器。

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

参数：

• sockfd : 为前面 socket 的返回值，即 sfd
• serv_addr: 为结构体指针变量，存放远程服务器的 ip 和端口信息
• addrlen: 表示结构体变量的长度

返回值： 成功则返回0，失败返回 -1

2. 设置套接口选项 setsockopt 的用法

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

参数：

• sockfd : 标识一个套接口的描述符
• level： 选项定义的层次，支持 SOL_SOCKET, IPPROTO_TCP, IPPROTO_IP. IPPROTO_IPV6
• optname：需要设置的选项
• optval：指针，指向存放选项值的缓冲区
• optlen：optval 缓冲区长度

注意： 该设置全部必须要放在 bind 之前

1. 服务器关闭后象继续重用 socket，（正常是需要经历 TIME_WAIT 的过程）

int reuse = 1;
setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const char *)&reuse, sizeof(int))

2. 在 send(), recv() 过程中有时由于网络状况等原因，发收不能预期进行，需要设置收发时限

int nNetTimeout = 1000; //1s
//发送时限
setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, (char *)&nNetTimeout, sizeof(int))
//接收时限
setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char *)&nNetTimeout, sizeof(int));

3. 设置缓冲区大小，避免 send(), 和 recv() 不断的循环收发

int  nRecvBuf = 32*1024;
setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (const char *)&nRecvBuf, sizeof(int));

int nSendBuf = 32*1024;
setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (const char *)&nSendBuf, sizeof(int));

4. 一般在发送UDP数据报的时候，希望 socket 发送的数据具有广播特性。

int  bBroadcast = 1;
setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (const char *)&bBroadcast, sizeof(int));

3. socketpair 创建在该进程中线程间通信的 socket

4. 五种I/O编程模型

1. 同步与异步，阻塞与非阻塞

同步与异步在进行I/O操作是针对应用程序与内核的交互而言的。

• 同步过程中进程出发I/O操作会等待（阻塞）或轮询地去查看 I/O操作（内核中进行处理I/O）（非阻塞）是否完成。
• 异步过程中进程触发 I/O 操作以后，直接返回，做自己的事情， I/O操作由内核处理，完成后内核通知进程I/O进程完成

阻塞与非阻塞关注的是单个进程的执行状态。

• 阻塞：进程给cpu传达任务后，就一直等待cpu处理完成，然后才执行后面的操作
• 非阻塞： 进程给cpu传达任务后，继续进行后续操作，隔断时间询问之前的操作是否完成。
  
  

2. IO模型

1. 阻塞 I/O模型

2. 非阻塞I/O模型

3. IO 复用模型

4. 信号驱动 I/O 模型

5. 异步 IO 模型

5. Epoll 多路复用

epoll 是 select 和 poll 的增强版本，是实现 I/O多路复用的主要方式

1. 主要接口：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);  
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

2. 接口详解

1. int epoll_create(int size);

创建一个 epoll 的实例，返回实例的文件描述符， size参数已经没有意义，但需要大于0.

注意： epoll 创建后会占用一个fd， 使用完 epoll 后，必须调用 close() 关闭。

2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event (*)event)

epoll 的事件注册函数，第一个参数是 epoll 描述符， 第二个表示 动作，有三个宏

EPOLL_CTL_ADD: 注册新的fd 到 epfd 中
EPOLL_CTL_MOD: 修改已经注册的 fd 的监听事件
EPOLL_CTL_DEL: 从epfd 中删除一个fd。

第三个参数是需要监听的 fd， 第四个参数是告诉内核要监听什么事件，其结构是：

struct epoll_event {
    
    
  __unit32_t events;
  epoll_data_t data;
}

events 可以是下面几个宏的集合：

EPOLLIN : 表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）
EPOLLOUT： 表示对应的文件描述符可以写
EPOLLPRI： 表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（表示有带外数据到来）
EPOLLERR： 表示对应的文件描述符发生错误
EPOLLHUP： 表示对应的文件描述符被挂断
EPOLLET： 将EPOLL设置为边缘触发（Edge Triggered）模式，相对于水平触发来说的
EPOLLONESHOT： 只监听一次事件，监听完后，就删除该描述符

水平触发与边缘触发

区别：

• LT 模式：当 epoll_wait 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处
  理该事件。下次调用 epoll_wait 时，会再次响应应用程序并通知此事件。
• ET 模式：当 epoll_wait 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理
  该事件。如果不处理，下次调用 epoll_wait 时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

选择ET：

ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。epoll 工作在
ET 模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文
件描述符的任务饿死。

3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event (*)events, int maxevents, int timeout);

等待事件的产生, 参数 events 用来从内核得到事件的集合，maxevents 告之内核这个 events 有多大，这个 maxevents 的值不能大于创建 epoll_create()时的 size，参数 timeout 是超时时
间（毫秒，0 会立即返回，-1 将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，
如返回 0 表示已超时。