【計算機網絡】Socket網絡編程

一、主機字節序列和網絡字節序列

二、套接字地址結構

1、IPv4 地址結構 (sockaddr_in)

2、IPv6 地址結構 (sockaddr_in6)

3、通用套接字地址結構 (sockaddr)

4、Unix域套接字地址結構 (sockaddr_un)

5、專用 socket 地址結構

6、套接字地址結構的轉換

字符串轉二進制地址

二進制地址轉字符串

7、端口號的轉換

三、網絡編程接口

socket

bind

listen

TCP 數據讀寫：

UDP 數據讀寫：

connect

四、TCP編程流程

代碼示例：

服務端

客戶端

一、主機字節序列和網絡字節序列

主機字節序列（Host Byte Order）指的是計算機在內存中存儲多字節數據時的順序。分為大端字節序和小端字節序，不同的主機采用的字節序列可能不同。

大端字節序是指一個整數的高位字節存儲在內存的低地址處，低位字節存儲在內存的高地址處。
小端字節序則是指整數的高位字節存儲在內存的高地址處，而低位字節則存儲在內存的低地址處。

在兩臺使用不同字節序的主機之間傳遞數據時，可能會出現沖突。所以，在將數據發送到網絡時規定整形數據使用大端字節序，所以也把大端字節序成為網絡字節序列。對方接收到數據后，可以根據自己的字節序進行轉換。

Linux 系統提供如下 4 個函數來完成主機字節序和網絡字節序之間的轉換：

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>uint32_t htonl(uint32_t hostlong); // 主機到網絡（長整型）長整型的主機字節序轉網絡字節序
uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 主機到網絡（短整型）短整形的主機字節序轉網絡字節序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);   // 網絡到主機（長整型）長整型的網絡字節序轉主機字節序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);  // 網絡到主機（短整型）短整型的網絡字節序轉主機字節序

不同架構的處理器可能使用不同的字節序。x86架構通常是小端序，而網絡協議（如TCP/IP）要求使用大端序。因此，跨平臺通信時必須進行字節序轉換。

二、套接字地址結構

套接字地址結構用于在網絡編程中存儲通信所需的地址信息。常見的套接字地址結構包括IPv4、IPv6和Unix域套接字地址結構。

1、IPv4 地址結構 (sockaddr_in)

IPv4套接字地址結構定義在<netinet/in.h>中，用于存儲IPv4地址和端口號。

struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family; // 地址族，如AF_INETin_port_t      sin_port;   // 16位端口號，網絡字節序struct in_addr sin_addr;   // 32位IPv4地址，網絡字節序char           sin_zero[8]; // 填充字段，通常置零
};struct in_addr {uint32_t s_addr; // IPv4地址，網絡字節序
};

2、IPv6 地址結構 (sockaddr_in6)

IPv6套接字地址結構用于存儲IPv6地址和端口號。

struct sockaddr_in6 {sa_family_t     sin6_family;   // 地址族，如AF_INET6in_port_t       sin6_port;     // 16位端口號，網絡字節序uint32_t        sin6_flowinfo; // 流信息struct in6_addr sin6_addr;     // 128位IPv6地址，網絡字節序uint32_t        sin6_scope_id; // 范圍ID
};struct in6_addr {unsigned char s6_addr[16]; // IPv6地址，網絡字節序
};

3、通用套接字地址結構 (sockaddr)

socket 網絡編程接口中表示 socket 地址的是結構體 sockaddr，通用套接字地址結構用于在函數參數中傳遞不同類型的地址結構。其定義如下：

struct sockaddr {sa_family_t sa_family; // 地址族char        sa_data[14]; // 協議地址
};

sa_family 成員是地址族類型（sa_family_t）的變量。地址族類型通常與協議族類型對應。常見的協議族和對應的地址族如下圖所示：

4、Unix域套接字地址結構 (sockaddr_un)

Unix域套接字用于本地進程間通信，其地址結構定義在<sys/un.h>中。

struct sockaddr_un {sa_family_t sun_family; // 地址族，AF_UNIXchar        sun_path[108]; // 文件路徑名
};

5、專用 socket 地址結構

TCP/IP 協議族有 sockaddr_in 和 sockaddr_in6 兩個專用 socket 地址結構體，它們分別用于 IPV4 和 IPV6：

/*
sin_family: 地址族 AF_INET
sin_port: 端口號，需要用網絡字節序表示
sin_addr: IPV4 地址結構：s_addr 以網絡字節序表示 IPV4 地址
*/struct in_addr{u_int32_t s_addr;
};
struct sockaddr_in{sa_family_t sin_family;u_int16_t sin_port;struct in_addr sin_addr;
};
struct in6_addr{unsigned char sa_addr[16]; // IPV6 地址，要用網絡字節序表示
};
struct sockaddr_in6{sa_family_t sin6_family; // 地址族：AF_INET6u_inet16_t sin6_port; // 端口號：用網絡字節序表示u_int32_t sin6_flowinfo; // 流信息，應設置為 0struct in6_addr sin6_addr; // IPV6 地址結構體u_int32_t sin6_scope_id; // scope ID，尚處于試驗階段
};

6、套接字地址結構的轉換

在網絡編程中，通常需要將人類可讀的IP地址和端口號轉換為網絡字節序的二進制形式。

字符串轉二進制地址

使用inet_pton函數將點分十進制字符串轉換為二進制地址。

#include <arpa/inet.h>const char *ip_str = "192.168.1.1";
struct in_addr addr;
inet_pton(AF_INET, ip_str, &addr);

二進制地址轉字符串

使用inet_ntop函數將二進制地址轉換為點分十進制字符串。

char ip_str[INET_ADDRSTRLEN];
inet_ntop(AF_INET, &addr, ip_str, INET_ADDRSTRLEN);

7、端口號的轉換

端口號需要轉換為網絡字節序（大端序）后使用。

#include <arpa/inet.h>uint16_t port = 8080;
uint16_t net_port = htons(port); // 主機字節序轉網絡字節序
uint16_t host_port = ntohs(net_port); // 網絡字節序轉主機字節序

三、網絡編程接口

網絡編程接口（API，Application Programming Interface）是不同軟件系統間進行通信和數據交換的標準化方式。通過網絡API，開發者可以調用遠程服務、獲取數據或執行特定操作，而無需了解底層實現細節。

socket

socket()創建套接字，成功返回套接字的文件描述符，失敗返回-1

domain: 設置套接字的協議簇， AF_UNIX AF_INET AF_INET6 ；type: 設置套接字的服務類型 SOCK_STREAM SOCK_DGRAM ；protocol: 一般設置為 0，表示使用默認協議

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

bind

bind()將 sockfd 與一個 socket 地址綁定，成功返回 0，失敗返回-1

sockfd 是網絡套接字描述符；addr 是地址結構；addrlen 是 socket 地址的長度

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

listen

listen()創建一個監聽隊列以存儲待處理的客戶連接，成功返回 0，失敗返回-1

sockfd 是被監聽的 socket 套接字；backlog 表示處于完全連接狀態的 socket 的上限

int listen(int sockfd, int backlog);

accept()從 listen 監聽隊列中接收一個連接，成功返回一個新的連接 socket,該 socket 唯一地標識了被接收的這個連接，失敗返回-1

sockfd 是執行過 listen 系統調用的監聽 socket ；addr 參數用來獲取被接受連接的遠端 socket 地址；addrlen 指定該 socket 地址的長度

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

TCP 數據讀寫：

recv()讀取 sockfd 上的數據，buff 和 len 參數分別指定讀緩沖區的位置和大小

send()往 socket 上寫入數據，buff 和 len 參數分別指定寫緩沖區的位置和數據長度

flags 參數為數據收發提供了額外的控制

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

UDP 數據讀寫：

recvfrom()讀取 sockfd 上的數據，buff 和 len 參數分別指定讀緩沖區的位置和大小

src_addr 記錄發送端的 socket 地址；addrlen 指定該地址的長度；sendto()往 socket 上寫入數據，buff 和 len 參數分別指定寫緩沖區的位置和數據長度；dest_addr 指定接收數據端的 socket 地址；addrlen 指定該地址的長度

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

close()關閉一個連接，實際上就是關閉該連接對應的 socket

int close(int sockfd);

connect

connect()客戶端需要通過此系統調用來主動與服務器建立連接，成功返回 0，失敗返回-1

sockfd 參數是由 socket()返回的一個 socket。 serv_addr 是服務器監聽的 socket 地址；addrlen 則指定這個地址的長度

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

四、TCP編程流程

TCP 提供的是面向連接的、可靠的、字節流服務。TCP 的服務器端和客戶端編程流程如下：

socket()方法是用來創建一個套接字，有了套接字就可以通過網絡進行數據的收發。這也是為什么進行網絡通信的程序首先要創建一個套接字。創建套接字時要指定使用的服務類型，使用 TCP 協議選擇流式服務（SOCK_STREAM）。
bind()方法是用來指定套接字使用的 IP 地址和端口。IP 地址就是自己主機的地址，如果主機沒有接入網絡，測試程序時可以使用回環地址“127.0.0.1”。端口是一個 16 位的整形值，一般 0-1024 為知名端口，如 HTTP 使用的 80 號端口。這類端口一般用戶不能隨便使用。其次，1024-4096 為保留端口，用戶一般也不使用。4096 以上為臨時端口，用戶可以使用。在Linux 上，1024 以內的端口號，只有 root 用戶可以使用。
listen()方法是用來創建監聽隊列。監聽隊列有兩種，一個是存放未完成三次握手的連接，一種是存放已完成三次握手的連接。listen()第二個參數就是指定已完成三次握手隊列的長度。
accept()處理存放在 listen 創建的已完成三次握手的隊列中的連接。每處理一個連接，則accept()返回該連接對應的套接字描述符。如果該隊列為空，則 accept 阻塞。
connect()方法一般由客戶端程序執行，需要指定連接的服務器端的 IP 地址和端口。該方法執行后，會進行三次握手，建立連接。
send()方法用來向 TCP 連接的對端發送數據。send()執行成功，只能說明將數據成功寫入到發送端的發送緩沖區中，并不能說明數據已經發送到了對端。send()的返回值為實際寫入到發送緩沖區中的數據長度。
recv()方法用來接收 TCP 連接的對端發送來的數據。recv()從本端的接收緩沖區中讀取數據，如果接收緩沖區中沒有數據，則 recv()方法會阻塞。返回值是實際讀到的字節數，如果 recv()返回值為 0，說明對方已經關閉了 TCP 連接。
close()方法用來關閉 TCP 連接。此時，會進行四次揮手。

代碼示例：

服務端

編輯
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代碼示例：
服務端：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>int main(){
int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//創建套接字
if( sockfd == -1 ){
exit(1);
}
struct sockaddr_in saddr;//定義ipv4地址，
memset(&saddr,0,sizeof(saddr));//清空
saddr.sin_family = AF_INET;//填充地址圖
saddr.sin_port = htons(6000);//填充端口，大端
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");//ip地址
int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));//綁定
if( res == -1){
printf("bind err\n");
exit(1);
}
res = listen(sockfd,5);//創建監聽隊列
if( res == -1){
exit(1);
}
while( 1 ){
struct sockaddr_in caddr;//記錄客戶端地址
socklen_t len = sizeof(caddr);//計算大小
int c = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);//接受套接字，阻塞
char buff[128] = {0};
int num = recv(c,buff,127,0);//read
printf("buff=%s\n",buff);//接收之后，打印
send(c,"ok",2,0);//write，描述符，帶發送的數據，大小，標志位
close(c);
}
close(sockfd);
exit(0);
}

客戶端

客戶端：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//創建套接字
if( sockfd == -1){
exit(1);
}
struct sockaddr_in saddr;//ipv4地址
memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_port = htons(6000);
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
int res = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
if( res == -1){
printf("connect err\n");
exit(1);
}
printf("input:\n");
char buff[128] = {0};
fgets(buff,128,stdin);//從鍵盤獲取數據
send(sockfd,buff,strlen(buff)-1,0);
memset(buff,0,128);
recv(sockfd,buff,127,0);
printf("buff=%s\n",buff);
close(sockfd);
exit(0);
}

執行結果：