Linux网络编程：套接字编程

1.Socket套接字编程

1.1.什么是socket套接字编程

Socket套接字编程 是一种基于网络层和传输层网络通信方式，它允许不同主机上的应用程序之间进行双向的数据通信。Socket是网络通信的基本构件，它提供了不同主机间的进程间通信端点的抽象。一个Socket就是一个通信端点，它提供了应用程序访问网络通信协议（如TCP/IP）的接口。并且Socket编程基于客户端（Client）和服务器端（Server）进行全双工通信！！！

• 客户端：通常指的是发起连接请求的一方，它使用Socket API创建一个Socket对象，并指定要连接的服务器地址和端口号，然后向服务器发送连接请求。连接建立后，客户端就可以通过Socket发送和接收数据了。
• 服务器端：则是监听来自客户端的连接请求的一方。服务器端也使用Socket API创建一个Socket对象，并绑定到一个指定的地址和端口号上，然后开始监听来自客户端的连接请求。当有客户端连接时，服务器端会接受这个连接，并创建一个新的Socket对象来与这个客户端进行通信。

简单来说，Socket编程就是使用Socket API（应用程序接口）来编写网络应用程序。这些网络应用程序可以是客户端，也可以是服务器端，它们通过Socket进行数据的发送和接收。 

1.2.如何进行socket套接字编程

首先socket套接字编程是基于TCP、IP四层网络协议栈实现的，而在传输层协议中UDP协议是无连接、面向数据报的，TCP协议是有链接、面向字节流的，因此系统维护了两套Socket套接字编程接口，给UDP场景和TCP场景使用！！！

1.2.1.UDP的套接字编程

// UDP服务器
{
    int port;                                     // 服务器开放的端口号
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 网络通信，UDP套接字
 
    // 填充sockaddr结构体对象
    struct sockaddr_in local;
    bzero(&local, sizeof(local)); // 初始化结构体
 
    local.sin_family = AF_INET;         // 绑定网络通信
    local.sin_port = htons();           // 绑定端口
    local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 允许所有外来ip访问
 
    // 绑定指定网络信息和指定的文件系统
    int n = ::bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));
 
    // 获取客户端信息
    char buff_r[1024];
    sockaddr_in peer;
    socklen_t len = sizeof(peer);
    ssize_t n = recvfrom(sock_fd, buff_r, sizeof(buff_r) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);
 
    // 给客户端发送信息
    std::string buffer;
    ssize_t m = sendto(sock_fd, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);
}

服务器进行套接字编程流程：

1. 通过socket函数获取套接字，其中SOCK_DGRAM对应UDP协议
2. 构建一个sockaddr_in对象，并绑定端口和设置允许任意的IP地址访问服务器
3. 接着通过bind函数显性绑定套接字和sockaddr_in对象
4. 接下来就可以和客户端进行IO通信了！！！ 

/ UDP客户端
{
    int port_server;                              // 链接服务器的端口号
    int ip_server;                                // 链接服务器的端口号
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 网络通信，UDP套接字
 
    struct sockaddr_in server;
    bzero(&server, sizeof(server));                        // 初始化结构体
    server.sin_family = AF_INET;                           // 设置为网络协议
    server.sin_port = htons(port_server);                  // 绑定服务器端口
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_server.c_str()); // 实现ip的动态绑定
 
    // 客户端不用通过bind函数显性绑定套接字
    // 因为服务器先启动，已经获得了套接字，只要绑定服务器的ip和端口就能使用这个套接字
 
    // 向服务器发送信息
    std::string buffer;
    ssize_t n = sendto(sock_fd, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));
 
    // 从服务端获取信息
    char buff_r[1024];
    struct sockaddr_in client;
    socklen_t len = sizeof(client);
    ssize_t m = recvfrom(sock_fd, buff_r, sizeof(buff_r) - 1, 0, (struct sockaddr *)&client, &len);
}

 客户端进行套接字编程的流程：

1. 通过socket函数获取套接字，其中SOCK_DGRAM对应UDP协议
2. 绑定服务器端口和服务器ip地址
3. 直接进行和服务器的IO通信

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服务端和客户端Socket编程的异同 

• 相同的是：都需要调用socket函数来获取套接字，设置网络协议为AF_INET和SOCK_DGRAM，并且需要设置sockaddr_in结构体，初始化这个结构体的内置变量。均共用一套IO的接口sendto和recvfrom。
• 不同的是：服务端的IP地址设置为INADDR_ANY，表示可以绑定多个IP地址，这也符合服务器需要和多台客户端进行IO的特性。另外服务端需要显性地绑定socket_fd（套接字文件描述符）和sockaddr_in（IPV4套接字结构）。而客户端需要绑定唯一一个服务器的IP，并且不需要显性的绑定socket_fd和sockaddr_in。

1.2.2.TCP套接字编程

TCP协议是面向连接的，所以与UDP套接字流程相比，除了绑定套接字，TCP需要在通信之前先建立连接，具体来说就是：服务器监听客户端发出链接请求请求，接着客户端发出connect请求，最终服务器接收请求，获取一个通信的套接字，最终完成链接的建立。接着再进行IO通信！！！

// TCP服务器
{
    // 创建监听套接字
    int listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 
    // 定义并配置本地
    struct sockaddr_in local;
    bzero(&local, sizeof(local));
 
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_port = htons(_port);
    local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 
    int n = ::bind(listen_sock, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));
 
    // TCP是面向连接的，需要监听client的链接
    int m = listen(listen_sock, 5); // 对listen这个套接字进行监听是否完成链接，设置全连接队列为5
 
    // 获取连接
    struct sockaddr_in peer;
    socklen_t len = sizeof(peer);
    // accept返回的新的套接字（通信套接字）
    int sock_fd = accept(_listen_sock, (struct sockaddr *)&peer, &len); // 用于数据通信，accept未接收会阻塞（未完成通信）！！
 
    // 通过read、write函数进行IO通信
 
    std::string buffer;
    ssize_t m = write(sock_fd, buffer.c_str(), buffer.size());
 
    char buffer_read[1024];
    ssize_t n = read(sock_fd, buffer_read, sizeof(buffer_read));
}

TCP服务端套接字编程的流程：

1. 创建监听的套接字，然后设置协议为AF_INET和SOCK_STREAM（TCP专用）
2. 定义并配置套接字结构体，最后进行监听套接字和网络套接字的结构体绑定
3. 进行监听（在此期间等待客户端的connect请求）
4. 设置网络套接字来接收客户端的信息，并通过accept函数获取到新的通信套接字
5. 进行通信IO

// TCP客户端
{
    // 创建套接字
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 
    // 绑定服务器
    struct sockaddr_in server;
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(server_port);
    inet_pton(AF_INET, server_ip.c_str(), &server.sin_addr);
 
    // TCP链接服务器
    int n = connect(sock_fd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));
 
    // 通过read、write函数进行IO通信
 
    std::string buffer;
    ssize_t m = write(sock_fd, buffer.c_str(), buffer.size());
 
    char buffer_read[1024];
    ssize_t n = read(sock_fd, buffer_read, sizeof(buffer_read));
}

TCP客户端套接字编程流程：

1. 创建套接字，并将网络套接字结构体绑定到服务器
2. 调用connect发起链接服务器的请求（此时处于服务端监听状态）
3. 完成链接，进行IO通信

 到了这里，我们已经知道如何用代码来构建UDP、TCP通信最基本的架构了，而TCP是面向连接的，这也体现在listen、connect、accept这三个函数中（跟三次握手紧密相关，但不等同）。

 如图为TCP中服务端和客户端建立通信的过程。

2.理解Socket套接字编程结构

我们在1.2中学习了如何搭建Socket套接字编程的结构，但是我们还不知道什么是Socket、什么是sockaddr_in和为什么要将sockaddr_in类型强转为（struct sockaddr*）等等，所以在有了对Socket编程的使用理解的基础上，我们来讲一下原理！！！

2.1.网络字节序

我们知道主机的地址排布，也就是字节序是可能存在不同的，大端机的字节序排列为高地址，小端机的字节序排列为低地址，那么这样就会导致在网络通信时，字节序读取不一致导致数据不一致问题。

例如在大端机中，32位整数，0x12345678，地址排布为：78563412，小端机则表示为：12345678

所以为了统一字节序的读取，在套接字编程中需要对网络字节序进行规定，以大端字节序为网络字节序标准，进行读取。我们在回到我们的代码中：

local.sin_port = htons(port);    // htons即为字节序转换函数 

而这些htons函数为系统提供的转换字节序的接口函数！

#include <arpa/inet.h>//必须包含的头文件
// 主机序列转网络序列
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);//将主机上unsigned int类型的数据转换成对应网络字节序
uint16_t htons(uint16_t hostshort);//将主机上unsigned short类型的数据转换成对应网络字节序
// 网络序列转主机序列
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);//将从网络中读取的unsigned int类型的数据转换成当前计算机字节序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);//将从网络中读取的unsigned short类型的数据转换成当前计算机字节序

 所以当我们在网络中获取了一些字节序数据，我们需要对他进行大端字节序的转换成符合本机的字节序列。

这里即为将网络获取的数据字节序转化为本机的数据字节序，而htons即为将本机的字节序数据转化为网络字节序（大端） 

2.2.网络套接字结构体

我们之前在1.2.提及了一个新名称“网络套接字结构体”，而这个结构体用于标识网络通信的端点，包括IP地址、端口号和地址族等信息。

// 通用网络套接字结构
struct sockaddr
{
  __SOCKADDR_COMMON(sa_); /* Common data: address family and length.  */
  char sa_data[14];       /* Address data.  */
};
 
// 网络套接字结构
struct sockaddr_in
{
  __SOCKADDR_COMMON(sin_);
  in_port_t sin_port;      /* Port number.  */
  struct in_addr sin_addr; /* Internet address.  */
 
  /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
  unsigned char sin_zero[sizeof(struct sockaddr) -
                         __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
                         sizeof(in_port_t) -
                         sizeof(struct in_addr)];
};

如图：我们在网络进行IO通信时，就是传输这个通用结构体对象sockaddr，所以我们在1.2.中的代码中也经常看到类型转换为（struct sockaddr *）。而这里也可以看作是C语言实现的多态，其中sockaddr为基类、sockaddr_in和sockaddr_un为派生类。

3.文件+socket+系统+网络

66-2小时33分