linux网络编程Socket之TCP与UDP

程序员文章站 2022-06-30 09:14:30

...

一、socket、tcp、udp、http的认识

TCP/IP协议族
TCP/IP是个协议族，可分为三个层次：网络层、传输层和应用层。
网络层有IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议。
传输层中有TCP协议与UDP协议。
应用层有FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议。
HTTP协议
HTTP协议是建立在请求/响应模型上的，但其最终还是基于TCP的。不过，目前，有人正在研究基于TCP+UDP混合的HTTP协议。
Socket
socket是对TCP/IP协议的封装，Socket本身并不是协议，而是一个调用接口（API）。

二、Socket基本操作

1、socket()函数
2、bind()函数
3、listen()、connect()函数
4、accept()函数
5、read()、write()函数等
6、close()函数

1.socket()函数

int socket(int domain, int type, int protocol);
domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。

2.bind()函数

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同.
ipv4对应的是：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};      
/* Internet address. */ 
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};
ipv6对应的是： 
struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};
struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
};
Unix域对应的是： 
#define UNIX_PATH_MAX    108
struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};

注：sockaddr和sockaddr_in的区别

    struct sockaddr {
        unsigned short    sa_family;    // 2 bytes address family, AF_xxx
        char              sa_data[14];     // 14 bytes of protocol address
    };
    在各种系统调用或者函数中，只要和网络地址打交道，就得用到这两个结构体。  
    网络地址主要包含三个方面的属性：  
    1. 地址类型： ipv4还是ipv6  
    2. ip地址
    3. 端口

    sockaddr和sockaddr\_in包含的数据都是一样的，但他们在使用上有区别：
    程序员不应操作sockaddr，sockaddr是给操作系统用的
    程序员应使用sockaddr_in来表示地址，sockaddr_in区分了地址和端口，使用更方便。

addrlen：对应的是地址的长度。

3.listen(),connect()函数

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。
connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。

4.accept()函数

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。

5.read(),write()等函数

read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：

   #include <unistd.h>

   ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
   ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/socket.h>

   ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
   ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

   ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                  const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
   ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                    struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

   ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
   ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

6.close函数

    int close(int fd);

三、TCP、UDP协议流程图

linux网络编程Socket之TCP与UDP

从上面的流程图比较我们可以很明显的看出UDP没有三次握手过程。简单点说。UDP处理的细节比TCP少。UDP不能保证消息被传送到（它也报告消息没有传送到）目的地。UDP也不保证数据包的传送顺序。UDP把数据发出去后只能希望它能够抵达目的地。

UDP通信不关心目的主机是否可达，目的主机是否能接收该数据包，以及数据包是否完整无误的发送给客户端。
UDP 不能直接使用read/write来处理数据，因为UDP无法知晓目的主机的ip和端口号，需要使用sendto或sendmsg,调用时已参数的方式列出。
单播：点对点传送，TCP和UDP都可以实现
广播 : 处于同一个广播域（局域网）的所有主机都将搜到消息，广播只能由UDP完成。
组播：消息会从主机发到加入到同一组播组的一系列主机，组播也只能由UDP完成。

四、TCP示例代码

服务器端示例：

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

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000

 int main(void)
 {
        char buf[MAXLINE];

        int listenfd = 0;
        listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

        struct sockaddr_in servaddr = {0};
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

        bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
        listen(listenfd, 20);

        printf("Accepting connections ...\n");
        while (1) 
        {
            struct sockaddr_in cliaddr = {0};
            socklen_t cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
            int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
     
            char str[INET_ADDRSTRLEN];
            printf("connected from %s at PORT %d\n",
                    inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
                    ntohs(cliaddr.sin_port));

            while(true)
            {
                int count = read(connfd, buf, MAXLINE);
                if (count == 0)
                    break;

                write(connfd, buf, count);
            }

            close(connfd);
            printf("closed from %s at PORT %d\n",
                    inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
                    ntohs(cliaddr.sin_port));
        }
}

PS：这里需要注意的一下的是sock函数的第二个参数SOCK_STREAM，它表示是一个TCP连接，后面我们会介绍通过传入SOCK_DGRAM打开udp连接。

客户端示例：

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

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000
#define MESSAGE "hello world"

 int main(int argc, char *argv[])
 {
        char buf[MAXLINE];

        int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

        struct sockaddr_in servaddr = {0};
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

        if (0 != connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)))
        {
            printf("connected failed");
            return 1;
        }

        write(sockfd, MESSAGE, sizeof(MESSAGE));
        int count = read(sockfd, buf, MAXLINE);

        printf("Response from server: %s\n",buf);

        close(sockfd);
        return 0;
 }

五、UDP示例代码

服务器端（server.c）：

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

int main(int argc, char **argv)
{
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s port\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    printf("Welcome! This is a UDP server, I can only received message from client and reply with same message\n");

    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    int sock;
    if ( (sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    if (bind(sock, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0)
    {
        perror("bind");
        exit(1);
    }
    char buff[512];
    struct sockaddr_in clientAddr;
    int n;
    int len = sizeof(clientAddr);
    while (1)
    {
        n = recvfrom(sock, buff, 511, 0, (struct sockaddr*)&clientAddr, &len);
        if (n>0)
        {
            buff[n] = 0;
            printf("%s %u says: %s\n", inet_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port), buff);
            n = sendto(sock, buff, n, 0, (struct sockaddr *)&clientAddr, sizeof(clientAddr));
            if (n < 0)
            {
                perror("sendto");
                break;
            }
        }
        else
        {
            perror("recv");
            break;
        }
    }
    return 0;
}

客户端（client.c）：

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

int main(int argc, char **argv)
{
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage: %s ip port", argv[0]);
        exit(1);
    }
    printf("This is a UDP client\n");
    struct sockaddr_in addr;
    int sock;

    if ( (sock=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) <0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    if (addr.sin_addr.s_addr == INADDR_NONE)
    {
        printf("Incorrect ip address!");
        close(sock);
        exit(1);
    }

    char buff[512];
    int len = sizeof(addr);
    while (1)
    {
        scanf("%s",buff);
        int n;
        n = sendto(sock, buff, strlen(buff), 0, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
        if (n < 0)
        {
            perror("sendto");
            close(sock);
            break;
        }
        n = recvfrom(sock, buff, 512, 0, (struct sockaddr *)&addr, &len);
        if (n>0)
        {
            buff[n] = 0;
            printf("received:");
            puts(buff);
        }
        else if (n==0)
        {
            printf("server closed\n");
            close(sock);
            break;
        }
        else if (n == -1)
        {
            perror("recvfrom");
            close(sock);
            break;
        }
    }

    return 0;
}

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