网络编程(socket通信基础)_网络通信基础socket

一、socket 简介

套接字，运行在计算机中的两个程序通过socket建立通道，数据在通道中传输。

 1) 流socket：基于TCP协议，建立通道（主要）
 2) 数据报socket：基于UDP协议，无需建立和维持连接，无通道(比较少)

流socket通信流程：

二、主机字节序与网络字节序

网络字节序： 采用大端字节排序(将高序字节存于起始位置)，网络间通信统一采用网络字节序。
主机字节序： 可能为小端字节排序(将低序字节存于起始位置)，需转化成网络字节序然后进行通信。
两者之间转换函数： htons() //host to network short s->短(16位)，同理其它函数htonl(),ntohs(),ntohl()。l->长(32位)

如图为小端转大端(32位)：

三、网络编程中的结构体

struct sockaddr{ //不常用结构体
	unsigned short sa_family;       //地址类型，AF_xxx  IPv4
	char sa_data[14];               //14字节供端口和地址使用
};

struct sockaddr_in{ //常用结构体
	short int sin_family;			//地址类型
	unsigned short int sin_port;    //端口号(两字节)
	struct in_addr sin_addr;        //地址(结构体)
	unsigned char sin_zero[8]       //八字节，为了和struct sockaddr一样 2+4+8=14(方便两结构体强制类型转换)
};

struct in_addr{
	unsigned long s_addr;          //地址(linux32位四字节,linux64位八字节，一般是四字节)
};
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四、库函数

1. socket()函数

socket函数用于创建一个新的socket，也就是向系统申请一个socket资源。socket函数用户客户端和服务端。

函数声明：

int socket(int domain, int type, int protocol);
1

domain：协议域，又称协议族(family)。一般IPv4用AF_INET；
type：指定socket类型。一般用流式socket：SOCK_STREAM；
protocol：指定协议。一般填0。
返回： 一个socket

2. bind()函数

服务端把用于通信的地址和端口绑定到socket上。端口一般(1024~65535)

函数声明：

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
1

参数sockfd，需要绑定的socket；
参数addr，存放了服务端用于通信的地址和端口(强制类型转换)；
参数addrlen表示addr结构体的大小；
如果绑定的地址错误，或端口已被占用，bind函数一定会报错，否则一般不会返回错误。
返回： 0──成功， -1──报错

3. listen()函数

listen函数把主动连接套接口变为被连接套接口，使得这个socket可以接受其它socket的连接请求，从而成为一个服务端的socket。

函数声明：

int listen(int sockfd, int backlog);
1

将一个主动的套接字(sockfd)变成一个被动的套接字。该套接字只用于监听(后续调用accept()生成新套接字用于信息传输)
backlog参数：已完成三次握手的队列长度。一般填5、10都行，一般不超过30。
返回： 0──成功， -1──失败

4. connect()函数

客户端向服务器发起连接请求。
connect函数只用于客户端。

函数声明：

 int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr, int addrlen);
1

sockfd：客户端socket
serv_addr：服务端地址(结构体sockadd_in)，后续进行强制类型转换
addrlen：serv_addr结构体大小
返回： 0──成功， -1──失败

5. accept()函数

服务端接受客户端的连接。

函数声明：

  int accept(int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen_t *addrlen);
1

sockfd：是已经被listen过的套接字。
addr：客户端地址(结构体sockadd_in)，后续进行强制类型转换
addrlen：结构体sockadd_in长度的地址

accept函数从已准备好的连接队列中获取一个请求，如果队列为空，accept函数将阻塞等待。

返回： accept等待到客户端的连接后，创建一个新的套接字，返回值就是这个新的套接字
   服务端使用这个新的套接字和客户端进行报文的收发。(来一个客户生成一个新套接字)

补：TCP三次握手与连接队列

在服务端listen后，客户端connect后，TCP底层(不需要代码实现)，客户端和服务端握手后建立起通信通道，若有多个客户端请求，在服务端会形成一个已准备好的连接队列。
服务端收到第一次握手，处于半连接，生成半连接队列；
服务端收到第三次握手，处于全连接，生成全连接队列。全连接队列大小有listen()函数的第二个参数决定。
服务端调用accept()函数从队列获取连接并返回一个性的socket，用于与客户端通信。

6. gethostbyname()函数

把ip地址或域名转换为hostent 结构体表达的地址。
gethostbyname只用于客户端。

函数声明：

struct hostent *gethostbyname(const char *name);
1

参数name：域名或者主机名，例如"192.168.1.3"、"www.google.com"等。
返回： 如果成功，返回一个hostent结构指针，失败返回NULL。

7. send()函数

send函数用于把数据通过socket发送给对端。

包含头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

函数声明：

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
1

sockfd：已建立好连接的socket
buf：需要发送的数据的内存地址
len：需要发送的数据的长度，为buf中有效数据的长度(小于等于buf长度)
flags：填0, 其他数值意义不大。
返回： 已发送的字节数，出错返回-1
注：就算是网络断开，或socket已被对端关闭，send函数不会立即报错，要过几秒才会报错。
如果send函数返回的错误（<=0），表示通信链路已不可用。

8. recv()函数

recv函数用于接收对端socket发送过来的数据。

包含头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

函数声明：

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
1

sockfd：已建立好连接的socket
buf：用于接收的数据的内存地址
len：需要接收的数据的长度，为buf中有效数据的长度(小于等于buf长度，否则内存溢出)
flags：填0, 其他数值意义不大。
返回： 已接收的字节数，出错返回-1
注：如果socket的对端没有发送数据，recv函数就会等待；如果socket被对端关闭，返回值为0。
如果recv函数返回的错误（<=0），表示通信链路已不可用。

五、TCP报文分包和粘包

send()和recv()函数的第三个参数(需要发送/接收的数据的长度)设置不当，会导致分包粘包。

分包： 发送方发送字符串“helloworld”，接收方收到两个字符串“hello”和“world”。
粘包： 发送方发送两个字符串“hello”和“world”，接收方一次性接收到了“helloworld”。

发生 TCP 分包的原因:

1. 待发送数据大于最大报文长度，TCP 在传输前将进行分包
2. 发送的数据大于 TCP 发送缓冲区剩余空间大小，将会发生分包。

发生 TCP 粘包的原因:

1. 发送的数据小于 TCP 缓冲区大小，TCP 将缓冲区中的数据一次发送出去可能就会发生粘包。
2. 接收数据端的应用层没有及时读取接收缓冲区中的数据，将发生粘包。

解决方案:

1. 发送端给每个数据包添加包首部，首部中包含数据包的长度，这样接收端在接收到数据后，通过该字段就可以知道每个数据包的实际长度了。
2. 发送端将每个数据包设置固定长度，这样接收端每次从读取固定长度的数据
3. 把每个数据包拆分开.可以在数据包之间设置边界，如添加特殊符号，接收端可以通过这个特殊符号来拆分包。

六、客户端和服务端程序

客户端

/*
 * 程序名：client.cpp，此程序用于演示socket的客户端
 * 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
 
int main(int argc,char *argv[])
{
  if (argc!=3)
  {
    printf("Using:./client ip port\nExample:./client 127.0.0.1 5005\n\n"); return -1;
  }

  // 第1步：创建客户端的socket。
  int sockfd;
  if ( (sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) { perror("socket"); return -1; }
 
  // 第2步：向服务器发起连接请求。
  struct hostent* h;
  if ( (h = gethostbyname(argv[1])) == 0 )   // 指定服务端的ip地址。
  { printf("gethostbyname failed.\n"); close(sockfd); return -1; }
  struct sockaddr_in servaddr;
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); // 指定服务端的通信端口。
  memcpy(&servaddr.sin_addr,h->h_addr,h->h_length);
  if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0)  // 向服务端发起连接清求。
  { perror("connect"); close(sockfd); return -1; }

  char buffer[1024];
 
  // 第3步：与服务端通信，发送一个报文后等待回复，然后再发下一个报文。
  for (int ii=0;ii<3;ii++)
  {
    int iret;
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    sprintf(buffer,"这是第%d个超级女生，编号%03d。",ii+1,ii+1);
    if ( (iret=send(sockfd,buffer,strlen(buffer),0))<=0) // 向服务端发送请求报文。
    { perror("send"); break; }
    printf("发送：%s\n",buffer);

    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    if ( (iret=recv(sockfd,buffer,sizeof(buffer),0))<=0) // 接收服务端的回应报文。
    {
       printf("iret=%d\n",iret); break;
    }
    printf("接收：%s\n",buffer);
  }
 
  // 第4步：关闭socket，释放资源。
  close(sockfd);
}
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服务端

/*
 * 程序名：server.cpp，此程序用于演示socket通信的服务端
 * 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
 
int main(int argc,char *argv[])
{
  if (argc!=2)
  {
    printf("Using:./server port\nExample:./server 5005\n\n"); return -1;
  }

  // 第1步：创建服务端的socket。
  int listenfd;
  if ( (listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) { perror("socket"); return -1; }
  
  // 第2步：把服务端用于通信的地址和端口绑定到socket上。
  struct sockaddr_in servaddr;    // 服务端地址信息的数据结构。
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;  // 协议族，在socket编程中只能是AF_INET。
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);          // 任意ip地址。
  //servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.190.134"); // 指定ip地址。
  servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));  // 指定通信端口。
  if (bind(listenfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0 )
  { perror("bind"); close(listenfd); return -1; }
 
  // 第3步：把socket设置为监听模式。
  if (listen(listenfd,5) != 0 ) { perror("listen"); close(listenfd); return -1; }
 
  // 第4步：接受客户端的连接。
  int  clientfd;                  // 客户端的socket。
  int  socklen=sizeof(struct sockaddr_in); // struct sockaddr_in的大小
  struct sockaddr_in clientaddr;  // 客户端的地址信息。
  clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr *)&clientaddr,(socklen_t*)&socklen);
  printf("客户端（%s）已连接。\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr));
 
  // 第5步：与客户端通信，接收客户端发过来的报文后，回复ok。
  char buffer[1024];
  while (1)
  {
    int iret;
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    if ( (iret=recv(clientfd,buffer,sizeof(buffer),0))<=0) // 接收客户端的请求报文。
    {
       printf("iret=%d\n",iret); break;   
    }
    printf("接收：%s\n",buffer);
 
    strcpy(buffer,"ok");
    if ( (iret=send(clientfd,buffer,strlen(buffer),0))<=0) // 向客户端发送响应结果。
    { perror("send"); break; }
    printf("发送：%s\n",buffer);
  }
 
  // 第6步：关闭socket，释放资源。
  close(listenfd); close(clientfd); 
}
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部分文字参考：socket通信基础知识
部分图片来源：码农论坛——C/C++网络编程