linux之网络通信-白红宇的个人博客

linux之网络通信

发布日期：2021-06-29 11:09:20 浏览次数：2 分类：技术文章

本文共 9818 字，大约阅读时间需要 32 分钟。

一、网络基础

1、网络通信概念

网络通信，就是支持位于网络中不同主机上面的2个进程进行通信。

2、一些网络相关的硬件设备

2.1、网卡

计算机上网必备硬件，cpu靠网卡来链接外部网络的

串行转并行的设备；因为cpu和网卡都是串行的，但是网络传输的数据是并行的，需要网卡中转

数据帧封包和拆包；

网络数据的缓存和速率适配；

2.2、中继器

中继并用来放大信号

2.3、集线器

相当于中继器有中继和放大信号的作用，并且还可以组成局域网，用广播的形式工作，注意集线器只能用来组成局域网而不能用来连接外网的

2.4、交换机

包含集线器的功能，但是其工作方式比广播更高级，交换机中存在地址表，会进行学习记录，有记录的能直接发生，没有的才广播后记录下次就不用再广播形式发送了。

本质功能；学习MAC地址进行帧转发

2.5、路由器

本质功能是数据包转发和路径选择

路由器对外实现联网，对内管理子网

对内管理子网：可以在路由器中上设置子网的网段，设置有线端口的IP地址，设置dhcp功能等，因此局域网的IP是由路由器决定的。

对外实现联网；联网方式取决于外部网络，此时路由器相当于一个节点。

3、网络中的一些技术协议

3.1、DNS 域名服务

提供域名和IP地址直接转换服务的

3.2、DHCP 动态主机配置协议

局域网内的个主机IP地址是动态分配的，而动态分配需要局域网内的DHCP服务器来协助才能完成，

DHCP动态分配的优势在于；方便接入和断开，有限的IP地址得到充分利用

3.3、NAT 网络地址转换协议

IP地址分为私网IP和公网IP，在局域网内为私有IP ，不同局域网IP地址可以相同，但是在互联网连接时为公网IP此时IP地址不能重复的，因此需要NAT进行转换。

NAT的作用就是缓冲IPV4的IP地址不够的问题

3.5、NAT穿透

P2P技术就是的，

因为NAT 网络地址转换协议则把不同局域网之间进行了隔离，而NAT穿透就是直接让两个不同局域网内的主机进行通信的技术。主要是通过一个服务器(寻找种子)作为中介完成不同局域网的两台主机通信的。

4、IP地址分类

IP地址 = 网络地址 + 主机地址；

网络地址位数决定这种网络有多少个子网络。

主机地址位数决定该子网络能有多少主机

子网掩码；用来说明网络地址和主机地址各站多少位的，网络地址位置置0置1，主机地址位置置0

二、网络编程

1、socket编程接口介绍

1.1、 socket

类似于文件IO中的open传入地址属性返回文件描述符，这里是用来打开一个网络连接，成功则返回一个网络描述符，之后操作这个网络连接就通过这个网络描述符即可。

NAME       socket - create an endpoint for communicationSYNOPSIS       #include 
   
              /* See NOTES */       #include 
    
            int socket(int domain, int type, int protocol);domain；表示网络域，就是网络范围，ipv4还是ipv6有相关宏设置AF_INET、AF_INET6type；通信协议的类型，tcp，udp...也有相关的宏来设置protocol  一般传0表示无特例，默认协议

在这里插入图片描述

1.2、bind

类似于文件IO中的fcntl函数给打开的文件描述符操作其相关属性，而bind就是给打开的网络文件描述符绑定自己的IP地址
注意；这个函数IP地址可兼容IPV4\IPV6两种

NAME       bind - bind a name to a socketSYNOPSIS       #include 
   
              /* See NOTES */       #include 
    
            int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,                socklen_t addrlen);                sockfd；网络文件描述符const struct sockaddr * addr；一个指向特定协议的地址结构的指针socklen_t addrlen；该地址结构的长度

1.3、listen

isten函数使用主动连接套接口变为被连接套接口，使得一个进程可以接受其它进程的请求，从而成为一个服务器进程。
当调用listen之后，服务器进程就可以调用accept来等待接受一个外来的请求。

NAME       listen - listen for connections on a socketSYNOPSIS       #include 
   
              /* See NOTES */       #include 
    
            int listen(int sockfd, int backlog);成功返回0 ，失败返回-1并设置erronbacklog 表示监听最大的排队数，也就是一起最多可以监听多少个客户端

1. 4、connect；连接

NAME       connect - initiate a connection on a socketSYNOPSIS       #include 
   
              /* See NOTES */       #include 
    
            int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,                   socklen_t addrlen);成功返回0 ，失败返回-1并设置erron                   const struct sockaddr *addr；表示要连接的ip地址

1.5、收发

发送接收send和write，recv和read 基本相同；只是send多个参数flag，但是一般传0，则两个一样

SYNOPSIS       #include 
   
           #include 
    
            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);

NAME       write - write to a file descriptorSYNOPSIS       #include 
   
           ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);	   ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

1.6、网络编程中大小端不匹配问题

一般操作系统为小端模式，高字节存放在高地址上，而在网络编程中网络字节序列（或是通信协议协议）中数据的顺序是大端模式，高字节都是放在低地址上。因此需要一些转换函数，

用来将主机short类型的字节顺序转为网络字节顺序。htons : h(host) to n(net) s (short): 用来将网络 short 类型的字节顺序转为主机字节顺序。ntohs : n(net) to h(host) s(short) :  用来将主机字节顺序转换为网络字节顺序，只不过转换变量的类型不同为 unsigned longhtonl : h(host) to n (net) l (long ) :用来将网络字节顺序转换为主机字节顺序，转换的变量为 unsigned longntohl:  n (net) to h(host) l (long) :

1.7、网络编程中ip地址的存放以及相关结构体

in_addr 、sockaddr_in 、sockaddr_in 6

都定义在/usr/include/netinet/in.h中
首先最底层的肯定还是一个存放23位进制的数字，至于我们所输入的带.的IP地址里面会有辅助函数来进行转换的。这个数字封装的变量为 typedef u32_t in_ddr_t;
然后将这个类型单独定义一个变量封装到一个结构体中；
注意；struct in_addr存储的ip地址是网路字节序即大端方式
struct in_addr {in_ddr_t s_addr;}
再然后就有了IPV4所表示的结构体
stuct sockaddr_in
{

in_port_t sin_port;//端口号
struct in_addr sin_addr;//IP地址
等一些其他参数
}
还有了IPV6的结构体stuct sockaddr_in6其中与ipv4不同的是它封装的是struct in6_addr sin_addr;//IP6地址.
还有一个抽象的结构体 struct sockaddr 标准网络地址结构体，类似于void*可以转化为
stuct sockaddr_in 或stuct sockaddr_in的

在这里插入图片描述

struct sockaddr

因此对struct sockaddr进行赋值，则要

sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(“192.168.1.10”);这样的层级

sockaddr格式
在头文件#include <sys/socket.h>中定义，sockaddr的缺陷是：sa_data把目标地址和端口信息混在一起了，

struct sockaddr {
          sa_family_t sin_family;//地址族　　  char sa_data[14]; //14字节，包含套接字中的目标地址和端口信息               　　 };

并且注意；在使用函数时需要把socketaddr_in强制类型转换为（struct sockaddr *）。

struct addrinfo

addrinfo结构体定义如下：

typedef struct addrinfo {

int 　　　　　　ai_flags;//指示在getaddrinfo函数中使用的选项的标志。

int 　　　　　　 ai_family;

int 　　　　　　ai_socktype;

int 　　　　　　　ai_protocol;

size_t 　　　　　　ai_addrlen;

char 　　　　　　*ai_canonname;

struct sockaddr 　　*ai_addr;

struct addrinfo 　　*ai_next;//指向链表中下一个结构的指针。此参数在链接列表的最后一个addrinfo结构中设置为NULL。

} ADDRINFOA, *PADDRINFOA;

复制代码

其中：

ai_addrlen: 指向的缓冲区的长度（以字节为单位）。

ai_canonname: 主机的规范名称。

ai_addr：指向 sockaddr 结构的指针。每个返回的addrinfo结构中的ai_addr成员指向一个填充的套接字地址结构。

每个返回的addrinfo结构的长度（以字节为单位）在ai_addrlen成员中指定。

8、辅助性函数

ip地址转换 n表示net网络端；如何将输入的带.的ip地址转换为网络编程存储的32位数的ip地址

inet_aton、inet_addr、inet_ntoa 这些不支持IPV6
inet_ntop、inet_pton

int inet_aton ( const char *cp , struct in_addr *in ) ;参数：  cp 指向点分格式IP地址字符串指针，"xxx.xxx.xxx.xxx"  in 它是 值-结果 类型的参数，用做提取与存放函数转换后的结果，其中 struct in_addr 类型与            struct sockaddr_in 中的sin_addr  字段类型是一致的，struct in_addr 中的 s_addr 变量存放着           16进制网络字节顺序的IP地址返回值：执行成功返回非零数值，失败返回 0in_addr_t inet_addr(const char *cp);也是转换为32位的数char * inet_ntoa( struct in_addr_in ) ;参数：   in : 该参数存放用来转换的16进制网络顺序的IP地址结构体返回值：   如果函数 Inet_ntoa 成功将 16进制网络顺序的 IP地址转换为字符串类型的点分IP 地址，   则将该字符串作为返回值返回，转换失败，返回 NULL

#include 
   
    int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);const char *inet_ntop(, const void *src,char *dst, socklen_t size);p；表达式类型，就是带.的字符串IP地址n网络存储32位形式的int af表示使用ipV4还是IPV6有对应的宏表示AF_INET，AF_INET6实践#include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       int main(){
       struct in_addr addr;    if(inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &addr.s_addr) == 1)        printf("Numeric IP: %x\n", addr.s_addr);    char str[16];    if(inet_ntop(AF_INET, &addr.s_addr, str, sizeof(str)))        printf("Presentation IP: %s\n", str);    return 0;}

2、网络编程实践

完成一个cs架构的，客户端向服务器发送学生进行注册

服务端采用线程方式，主线程负责监听，子线程负责与连接过来的客户端通信，实现单服务器多客服端操作

//netw.h头文件#ifndef _NETW_H_#define _NETW_H_#define SERADDR		"192.168.91.129"		// 服务器开放给我们的IP地址和端口号#define SERPORT		9003					//设置服务器通信端口#define BACKLOG		100						//设置服务器端一次最多能接收多大#define CMD_REGISTER	1001	// 注册学生信息#define CMD_CHECK		1002	// 检验学生信息#define CMD_GETINFO		1003	// 获取学生信息#define STAT_OK			30		// 回复ok#define STAT_ERR		31		// 回复出错了typedef struct commu{
   	char name[20];		// 学生姓名	int age;			// 学生年龄	int cmd;			// 命令码	int stat;			// 状态信息，用来回复}info;#endif

//服务器server.c文件#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
               #include 
       
        #include 
        
         #include 
         
          #include "netw.h"#include 
          
           //使用子线程完成对客户端的通信操作void *func(void *arg){ int ret = -1; //进行读写操作 // 客户端反复给服务器发 while (1) { info st; // 回合中第1步：服务器收 ret = recv(*(int *)arg, &st, sizeof(info), 0); // 回合中第2步：服务器解析客户端数据包，然后干活， if (st.cmd == CMD_REGISTER) { printf("用户要注册学生信息\n"); printf("学生姓名：%s，学生年龄：%d\n", st.name, st.age); // 在这里服务器要进行真正的注册动作，一般是插入数据库一条信息 // 回合中第3步：回复客户端 st.stat = STAT_OK; ret = send(*(int *)arg, &st, sizeof(info), 0); } if (st.cmd == CMD_CHECK) { } if (st.cmd == CMD_GETINFO) { } } return 0;}int main(){ int sockfd = -1; int ret = -1, clifd = -1; socklen_t len = 0; //因为采用IPV4则可以直接使用struct sockaddr_in结构体 struct sockaddr_in seraddr = { 0}; struct sockaddr_in cliaddr = { 0}; pthread_t th[10] = { -1}; int cnt = 0; //1、创建socket接口 //AF_INET表示使用ipv4 SOCK_STREAM表示使用tcp连接协议 sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (-1 == sockfd) { printf("socket error\n"); return -1; } printf("socket success.\n"); //2、bind绑定本地IP和端口与socket描述符 seraddr.sin_family = AF_INET; seraddr.sin_port = htons(SERPORT); // 设置地址的端口号信息 seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR); //　设置IP地址,注意层级 ret = bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)); if (ret < 0) { printf("bind error\n"); return -1; } printf("bind success.\n"); //3、listen监听 ret = listen(sockfd, BACKLOG); //设置可以监听的最大个数 if (ret < 0) { printf("listen error\n"); return -1; } //服务器再用循环监听客服端连接，而与客户端通信采用开辟子线程的方式 while(1) { //4、accept阻塞等待连接，此时返回的fb描述符就是用于读写的文件描述符， //之前socket返回的描述符是用于网络通信的 clifd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len); printf("连接已经建立，client fd = %d.\n", clifd); cnt++; ret = pthread_create(&th[cnt], NULL, func, &clifd); if (ret != 0) { printf("pthread_create error.\n"); exit(-1); } } printf("等待回收子线程\n"); for(int i = 0; i < cnt; i++) { ret = pthread_join(th[i], NULL); if (ret != 0) { printf("pthread_join error.\n"); exit(-1); } } return 0;}

//客户端 client.c#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
                #include 
       
        #include 
        
         #include 
         
          #include "netw.h"char sendbuf[100];char recvbuf[100];int main(){ int sockfd = -1, ret = -1; struct sockaddr_in seraddr = { 0}; struct sockaddr_in cliaddr = { 0}; // 第1步：socket sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (-1 == sockfd) { printf("socket error\n"); return -1; } printf("socketfd = %d.\n", sockfd); // 第2步：connect链接服务器 seraddr.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为IPv4 seraddr.sin_port = htons(SERPORT); // 设置地址的端口号信息 seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR); //　设置IP地址 ret = connect(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)); if (ret < 0) { perror("listen"); return -1; } printf("成功建立连接\n"); //第3步；就是进行读写操作 while (1) { // 回合中第1步：客户端给服务器发送信息 info st1; printf("请输入学生姓名\n"); scanf("%s", st1.name); printf("请输入学生年龄"); scanf("%d", &st1.age); st1.cmd = CMD_REGISTER; //printf("刚才输入的是：%s\n", sendbuf); ret = send(sockfd, &st1, sizeof(info), 0); printf("发送了1个学生信息\n"); // 回合中第2步：客户端接收服务器的回复 memset(&st1, 0, sizeof(st1)); ret = recv(sockfd, &st1, sizeof(st1), 0);//是堵塞的，与创建套接字socket的时候设置有关 // 回合中第3步：客户端解析服务器的回复，再做下一步定夺 if (st1.stat == STAT_OK) { printf("注册学生信息成功\n"); } else { printf("注册学生信息失败\n"); } } return 0;}

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