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计算机通信之谜,带你彻底理解socket网络编程(一)

xsobi 2024-11-24 00:34 22 浏览

出现一项技术,首先我们弄懂一下,为什么要出现。那么为什么要出现socket这玩意呢?可以很简单的用一句话来概括:

为了实现两台计算机的通信

1、socket诞生的原因

两台装有操作系统的机子要想实现通信,第一要联网,第二通信双方一定制定某种规则。我们平时最为常见的http请求也是一种通信协议,只不过它是属于应用层的。http协议将要发送的数据封装后,传到下面一层处理,这下一层就是传输层,也是我们今天要说的重点。

应用层的数据封装之后要发到下面的传输层,那么传输层就需要对外提供接口,让应用层可以调用传输层的数据,这个就是socket。传输层就是通过socket来对外提供服务的,毫不夸张的说,socket是计算机通信的基石,任何两台计算机要想实现通信,必须要有socket。传输层是在操作系统层面,socket的实现细节是操作系统已经封装好的了。所以聪明的你可能已经知道了,不同的操作系统实现的socket各不相同,对外提供的函数可能也有点不同。我们这里讨论的都是Linux系统。

2、服务端和客户端的代码实现

其他的先不说,我们先给出服务端和客户端的代码,然后通过代码来分析两台主机通信之间的过程。这个代码已经在Linux上运行过了,完全可以使用,大家需要的话可以直接拿去用。

2.1、服务端代码

Bash
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
 
#define BUF_SIZE 512
#define ERR_EXIT(m)         \
	do                      \
	{                       \
		perror(m);          \
		exit(EXIT_FAILURE); \
	} while (0)
 
int main()
{
	//创建套接字
	int m_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (m_sockfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("create socket fail");
	}
 
	//初始化socket元素
	struct sockaddr_in server_addr;
	int server_len = sizeof(server_addr);
	memset(&server_addr, 0, server_len);
 
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	//server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); //用这个写法也可以
	server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	server_addr.sin_port = htons(39002);
 
	//绑定文件描述符和服务器的ip和端口号
	int m_bindfd = bind(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, server_len);
	if (m_bindfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("bind ip and port fail");
	}
 
	//进入监听状态,等待用户发起请求
	int m_listenfd = listen(m_sockfd, 20);
	if (m_listenfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("listen client fail");
	}
 
	//定义客户端的套接字,这里返回一个新的套接字,后面通信时,就用这个m_connfd进行通信
	struct sockaddr_in client_addr;
	socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
	int m_connfd = accept(m_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
 
	//接收客户端数据,并相应
	char buffer[BUF_SIZE];
	recv(m_connfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
	printf("server recv:%s\n", buffer);
	strcat(buffer, "+ACK");
	send(m_connfd, buffer, sizeof(buffer), MSG_NOSIGNAL);
 
	//关闭套接字
	close(m_connfd);
	close(m_sockfd);
 
	return 0;
}

2.2、客户端代码

Bash
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
 
#define BUF_SIZE 512
#define ERR_EXIT(m)         \
	do                      \
	{                       \
		perror(m);          \
		exit(EXIT_FAILURE); \
	} while (0)
 
int main()
{
	//创建套接字
	int m_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (m_sockfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("create socket fail");
	}
 
	//服务器的ip为本地,端口号
	struct sockaddr_in server_addr;
	memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("81.68.140.74");
	server_addr.sin_port = htons(39002);
 
	//向服务器发送连接请求
	int m_connectfd = connect(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
	if (m_connectfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("connect server fail");
	}
	//发送并接收数据
	char buffer[BUF_SIZE];
	printf("client send:");
	scanf("%s", buffer);
	send(m_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
	recv(m_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
	printf("client recv:%s\n", buffer);
 
	//断开连接
	close(m_sockfd);
 
	return 0;
}

以上就是服务端和客户端的代码,这个代码本身没问题,但是有点小缺点,最后我们会提到。接着笔者分析一下上面的所有socket相关函数,让大家可以更加深刻的了解socket网络编程。

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现,那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面介绍几个基本的socket接口函数。

3.1、socket()函数

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

socket函数对应于普通文件的打开操作,普通文件的打开操作返回一个文件描述字,而socket()用于创建一个socket描述符(socket descriptor),它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样,后续的操作都有用到它,把它作为参数,通过它来进行一些读写操作。

正如可以给fopen的传入不同参数值,以打开不同的文件。创建socket的时候,也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符,socket函数的三个参数分别为:

  • 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与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(后面两种在网络编程当中很少见到,大家不需要深究)

注意:并不是上面的type和protocol可以随意组合的,如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时,会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时,返回的socket描述字它存在于协议族(address family,AF_XXX)空间中,但没有一个具体的地址。如果想要给它复制一个地址,就必须调用bind()函数,否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

3.2、bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, int addrlen);

函数的三个参数分别为:

  • 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。
  • addrlen:对应的是地址的长度。

下面是一个bind()函数的例子,希望大家可以理解这个用法

    struct sockaddr_in server_addr;
	int server_len = sizeof(server_addr);
	memset(&server_addr, 0, server_len);
 
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	//server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); //用这个写法也可以
	server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	server_addr.sin_port = htons(39002);
 
	//绑定文件描述符和服务器的ip和端口号
	int m_bindfd = bind(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, server_len);

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址(如ip地址+端口号),用于提供服务,客户就可以通过它来接连服务器;而客户端就不用指定,有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind(),而客户端就不会调用,而是在connect()时由系统随机生成一个。

网络字节序与主机字节序

主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式:不同的CPU有不同的字节序类型,这些字节序是指整数在内存中保存的顺序,这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下:

  a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端,高位字节排放在内存的高地址端。

  b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端,低位字节排放在内存的高地址端。

网络字节序:4个字节的32 bit值以下面的次序传输:首先是0~7bit,其次8~15bit,然后16~23bit,最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序,因此它又称作网络字节序。字节序,顾名思义字节的顺序,就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序,一个字节的数据没有顺序的问题了。

所以:在将一个地址绑定到socket的时候,请先将主机字节序转换成为网络字节序,而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案!公司项目代码中由于存在这个问题,导致了很多莫名其妙的问题,所以请谨记对主机字节序不要做任何假定,务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

3.3、listen()

如果作为一个服务器,在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket。

int listen(int sockfd, int backlog);

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字,就是上面创建的那个socket()函数的返回值。第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数,可以理解为有多少个客户端连接。

注意:socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的,listen函数将socket变为被动类型的,等待客户的连接请求。listen()如果返回 –1 ,那么说明在listen()的执行过程中发生了错误。

3.4、connect()函数

客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接,connect()函数结构如下

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

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字,就是上面客户端创建的socket()函数的返回值,一般都是大于0的。第二参数为服务器的socket地址,是一个存储远程计算机的IP地址和端口信息的结构,一般为服务器的ip与port。第三个参数为socket地址的长度,这里addrlen=sizeof(addr)。

注意:这里的远程服务端的端口一定要设置好,千万不要设置了被服务器防火墙拦截的端口。之前我就是一直无法连接,后面查询才知道,我设置的端口被服务器防火墙给拦截了。切记切记!!!

3.4、accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后,就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后,就会调用accept()函数去接收请求,这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了,即类同于普通文件的读写I/O操作。

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,要注意这个长度的类型是socklen_t,不可写成int。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。

//定义客户端的套接字,这里返回一个新的套接字,后面通信时,就用这个m_connfd进行通信
	struct sockaddr_in client_addr;
	socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
	int m_connfd = accept(m_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);

注意:accept的第一个参数为服务器的socket描述字,是服务器开始调用socket()函数生成的,称为监听socket描述字;而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字,它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字,当服务器完成了对某个客户的服务,相应的已连接socket描述字就被关闭。

3.5、read()、write()等函数

到了这里,服务器与客户已经建立好连接了。建立连接之后,我们就是发送通过客户端发送数据给服务端,当然也可以服务端发过来。因为TCP连接是全双工的。用以下函数可以实现了网网络中不同进程之间的通信!网络I/O操作有下面几组:

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

笔者这里经常用的是read()/write()和recv()/send这两组函数,当然其他的也是可以的。具体有啥区别,我也没有太多的去深究。有兴趣的同学可以去了解了解。

#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);

read函数是负责从fd中读取内容。当读成功时,read返回实际所读的字节数,如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了,小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的,如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd。成功时返回写的字节数,失败时返回-1,并设置errno变量。 在网络程序中,当我们向套接字文件描述符写时有两种可能。1)write的返回值大于0,表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0,此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

3.6、close()函数

在服务器与客户端建立连接之后,会进行一些读写操作,完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字,好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>int close(int fd);

该函数的参数就是上面创建的socket的返回值,该描述字不能再由调用进程使用,也就是说不能再作为read或write的第一个参数。至此,socket就会关闭,连接断掉,不能再进行通信了。我们熟知的http协议,每次请求之后都会断开,就是调用了这个close()函数的原因。

注意:close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1,只有当引用计数为0的时候,才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

4、代码的缺陷

以上服务端和客户端的代码是socket通信中最基础的,就是说要想实现两台计算机通信,以上函数都是必须的。但是如果大家有去运行以上代码的话就会发现,启动服务端后,在启动客户端,这时候只是运行一次,客户端和服务端就都close()退出了,也就是说长连接断掉了,这显然不符合实际的使用情况。我们需要的是源源不断的可以发送数据,那么以上代码如何改呢?大家可以思考思考。

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