摘要:一网络编程基础网络编程本身是一门很大的学问,涉及到的东西也很多,尤其是各种协议。套接字允许应用程序将插入网络中,并与网络中的其他应用程序进行通信。端口的存在,主要是为了确认消息一一对应性。
一、网络编程基础
网络编程本身是一门很大的学问,涉及到的东西也很多,尤其是各种协议。先看图:
正如上图所示,网络编程中包含五大层面(也有区分六个层面),从应用层到物理层可以明显看出 越往下越接近计算机硬件。自己并不是专业网络编程的工程师,所以仅对这五大层面有一点点粗浅的了解,这篇文章网络编程技巧博主写的比较详细. 平时大多数所谓网络编程,其实是在传输层、网络层方面.
二、socket编程首先,socket(套接字)编程应该属于传输层,主要实现的是端到端的通信,非常类似于很久很久以前的固话通信,应用程序可以通过它发送或者接受数据,可以对它进行像文件似得读写、关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入网络中,并与网络中的其他应用程序进行通信。
其次,网络中两台或多台主机之间进行通信,必须知道对应主机的地址,也就是其IP地址,但是只知道IP地址是远远不够的,试想如你在本机A发送了一个消息,另一个台主机B也接收到到了该消息,但是到底是B主机的哪一个进程接受并处理该消息?就像你用QQ给B发送消息,但是B不可能通过陌陌收到该消息。 因此,相互通信的主机之间还必须确定一一对应的消息处理接口--端口。端口的存在,主要是为了确认消息一一对应性。另外,端口号其实就是一个从0开始的到65535之间的一个整型数字,0~1023端口,也就是常说的静态端口,已被操作系统另做它用(http,https,ftp等各种协议占用),我们自己所能使用的端口范围只能从1024开始,即动态端口取值[1024,65535].
可是看出,若要进行网络间通信,socket至少要包含IP+port两个方面,其实事实也是如此.还是以有线电话做为类比,socket其实就是自己家中的一部电话,其中IP就是家庭地址,port就是自己家的电话号码,当要给别人打电话时,别人家当然也必须有自己的座机和专属于该座机的号码.
或许我们也能猜出,socket编程是网络编程里边必不可少且及其重要的一个环节.
熟悉Linux(这里用Ubuntu16.04版本,其他版本类似)下socket编程基本流程,掌握socket编程基本原理,搞懂Linux下socket编程所必须的函数及其用法.
实验:在本地模拟两台机器,服务器和客户端,服务器监听客户端信息并能发送广播,客户端可以主动给服务器发送消息,其中消息的输入是从标准输入设备输入,并输出到标准输出--Linux 终端.
开始之前必须了解一点 什么是文件描述符,在Unix Linux系统中,文件描述符是一个非负整数,其存在作用更像一个索引,系统内核通过该"索引"找到对应的文件、设备、外设、安装的软件等等, 并通过描述符对它们进行操作。总而言之,文件描述符对应了系统上的所有文件,这里的文件并非"传统意义上的普通文件",而是指Linux系统内核所能管理1的一切,包含文档、文件、硬件设备、系统软件等等。这也体现了Linux系统的设计思想----把一切视作文件.
2、必要接口 1)、socket函数既然socket这么重要,来看它到底是个什么东西.在Linux终端执行:man socket,出现:
通过Linux手册查询可以知道该函数所必须的头文件,函数声明和函数描述等信息.从[DESCRIPTION]字段可知,函数创建了一个用于通信的端点并返回该端点的描述符,若创建成功,返回创建套接字的文件描述符,否则返回一负数.
函数声明 int socket(int domain,int type,int protocol);
参数 domain:表示创建该socket所使用的通讯协议家族--地址族,现在一般用IPv4协议,所以通常会选择AF_INET;
参数type:指定所需的通信类型。包括数据流(SOCK_STREAM)<-->TCP协议、数据报(SOCK-DGRAM)<-->UDP协议和原始类型(S0CK_RAW)<-->新网格协议的开发测试.
参数protocol:说明该套接字使用的协议族中的特定协议。如果不希望特别指定使用的协议,则置为0,使用默认的连接模式.
若要进行 基于TCP IP的网络开发测试,则函数创建方式一般为:
int listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);2)、bind函数
既然有了一部“电话”,那么就需要为该电话绑定唯一的“所属地址”,同样Linux命令行执行:man bind,同样函数声明为:
int bind(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
从手册的描述中可以看出,当成功创建socket套接字后,调用该函数可以将所创建的套接字(sockfd)和指定的地址(addr)绑定.
地址是由这样一个结构体指定:
struct sockaddr { sa_family_t sa_family; //地址族 char sa_data[14]; //14字节的协议地址 }
上面struct sockaddr是通用地址,在网络编程中 internet sockaddr使用下面地址,两种地址可以互换:
struct sockaddr_in { short int sin_family; /* 地址族,AF_xxx 在socket编程中只能是AF_INET */ unsigned short int sin_port; /* 端口号 (使用网络字节顺序) */ struct in_addr sin_addr; /* 存储IP地址 4字节 */ unsigned char sin_zero[8]; /* 总共8个字节,实际上没有什么用,只是为了和struct sockaddr保持一样的长度 */ };
bind()函数的第三个参数表示地址所占字节长度,socklen_t本质上是一个 unsigned int宏定义.
可以通过这样方式指定地址:
struct sockaddr_in serveraddr; memset(&serveraddr,0,sizeof(serveraddr)); serveraddr.sin_family = AF_INET; serveraddr.sin_port = htons(5188); serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
首先声明网络接口地址结构,在给该地址赋值前必须将其清空.依次设置该地址的地址族、IP和端口(这里随便设置了一个),上边出现另一个新函数htons,同样终端下man htons,可知该函数的主要作用是将主机字节序转化为网络字节序,关于这两个字节序后续再深入研究.这里可以理解为:htons()的主要作用就是将十进制的ip地址和端口号转化为网络可以识别的"东东".
至此,基本可以完成座机的安装入户和号码绑定:
bing(listenfd,(struct sockaddr *)&serveraddr,sizeof(serveraddr));3)、listen监听函数
对于我们的服务器而言,它需要监听来自客户端发来的消息,Linix终端中 man listen可以看到详细信息. 函数声明为:
int listen(int socdfd,int backlog);
其中参数sockfd代指所要监听的套接字文件描述符,参数backlog表示在套接字挂起时,所能接受请求的最大队列长度.函数执行成功返回 0,否则返回 -1.
必须说明一点,当调用该函数后,参数socdfd所指定的套接字将变为被动套接字,所谓被动套接字,是指其只能用来接收来自其他用户的链接请求. 类似于改变了套接字的状态,使其只能用于接收.
4)、accept 接收函数对于我们的服务器而言,由于其只具备接收功能,因此必须创建一个接受函数:
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
函数参数不言自明,参数1sockfd表示服务器socket描述符,参数2是指客户端的协议地址,参数3为地址长度. 函数成功返回监听的等待队列中第一个套接字的描述符.
3、服务器实现服务器的功能是监听客户端发来的消息,并将消息广播给客户端.因此需要一个循环实时监听客户端发来的消息,在本地构建一个简单的服务器如下:
#include#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define ERR_EXIT(m) do { perror(m); exit(EXIT_FAILURE); }while(0) int main(void){ int listenfd; if(( listenfd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0){ ERR_EXIT("socket"); } struct sockaddr_in serveraddr; memset(&serveraddr,0,sizeof(serveraddr)); serveraddr.sin_family = AF_INET; serveraddr.sin_port = htons(5188); serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); if(bind(listenfd,(struct sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr))<0) ERR_EXIT("bind"); //一旦监听,则为被动套接字(只能接受连接,调用accep函数之前调用),这里随便给了一个最大队列长度 if(listen(listenfd,100)< 0) ERR_EXIT("listen"); //声明一个地址,用于存储客户端链接时的协议地址 struct sockaddr_in peeraddr; socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr); int conn; //返回的一个主动套接字 if((conn= accept(listenfd,(struct sockaddr*)&peeraddr,&peerlen))<0) ERR_EXIT("accept"); char recvbuff[1024]; while(1){ memset(recvbuff,0,sizeof(recvbuff)); int ret = read(conn,recvbuff,sizeof(recvbuff)); fputs(recvbuff,stdout); write(conn,recvbuff,ret); } close(listenfd); return 0; }
其中用到了几个非socket API的函数:
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t count); ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
read()函数:负责从fd所指定文件描述符读取字节大小为count的数据到buf中.若成功返回实际读取到的字节大小,否则返回负数,返回0表示读取到文件结束.
write():将buf中的count个字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数.
客户端的实现和服务器的实现之间大同小异,同样都需要 ” 安装电话 “ ,但是客户端的功能仅在于向外”拨打电话“. 区别在于客户端是主动发起连接请求,所以它必须知道自己所要连接的目标,之后服务器才有响应.同样客户端并不需要监听,只需要接收到服务器的广播即可. 发起连接请求需要函数 connect:
int connect(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
在上述连接函数中,参数sockfd表示本机(客户端)的socket套接字描述符,参数addr表示服务器端的地址,参数3表示地址长度.
代码实现:
#include#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define ERR_EXIT(m) do { perror(m); exit(EXIT_FAILURE); }while(0) int main(void){ int sock; if(( sock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0){ ERR_EXIT("socket"); } struct sockaddr_in serveraddr; memset(&serveraddr,0,sizeof(serveraddr)); serveraddr.sin_family = AF_INET; serveraddr.sin_port = htons(5188); // serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //发起连接 connect(sock,(struct sockaffffdr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr)); char recvbuf[1024]={0}; char sendbuf[1024]={0}; while(fgets(sendbuf,sizeof(sendbuf),stdin)!= NULL){ write(sock,sendbuf,strlen(sendbuf)); read(sock,recvbuf,sizeof(recvbuf)); fputs(recvbuf,stdout); memset(recvbuf,0,sizeof(recvbuf)); } close(sock); return 0; }
上述函数功能就是从客户端主动向服务器发送连接请求,并在客户端机器的标准设备上如字符,服务器接受并返回. 实现两台机器通信的模拟.
5、结果效果如下图:
用gcc编译上述两个文件,首先启动服务器,之后启动客户端.在客户端随便输入字符,服务器解收到并广播返回. 至此基本完成目的.
目前来看,创建服务器的一般流程是:
1.创建socket套接字(`socket`函数); 2.创建服务器地址,地址包含协议族、IP和端口号(`const struct sockaddr*`); 3.绑定套接字和服务器地址(bind函数); 4.系统监听服务器,一旦监听则该套接字变为被动套接字,只能用于接收数据(`listen`函数); 5.作为服务器,应该能接收客户端信息(`accept`函数),该函数返回一个主动套接字;
基于以上步骤,基本能搭建一个简单的服务器.
客户端的搭建相比而言简单许多:
1.创建用于连接的套接字; 2.将套接字和服务器地址连接; 3.发送消息
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