在網絡編程中，網絡層是 OSI 七層模型中負責將數據從源節點傳輸到目的節點的關鍵層次。在 C++ 中，網絡層的功能通常通過 Socket 編程接口來實現。Socket 提供了一種抽象機制，允許應用程序通過網絡發送和接收數據。本文將詳細介紹如何在 C++ 中使用 Socket 接口實現網絡層的功能。
一、Socket 編程基礎
Socket 是一種網絡通信接口，用于在不同主機上的進程之間進行通信。它基于 TCP/IP 協議棧的應用層，提供了一組 API，允許不同的進程在不同計算機之間進行通信。
1.1 Socket 類型
在 C++ 中，Socket 主要分為兩種類型：
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SOCK_STREAM：面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議，底層是 TCP 協議。
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SOCK_DGRAM：無連接的、不可靠的、基于數據報的傳輸層通信協議，底層是 UDP 協議。
1.2 主要 Socket 函數
以下是一些常用的 Socket 函數及其用途：
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socket()：創建一個新的 Socket。
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bind()：將 Socket 綁定到本地的 IP 地址和端口號。
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listen()：使 Socket 進入監聽狀態，等待客戶端的連接請求（服務器端使用）。
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accept()：接受客戶端的連接請求，建立連接（服務器端使用）。
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connect()：客戶端嘗試連接服務器的 Socket。
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send() 和 recv()：用于 TCP Socket 的數據發送和接收。
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sendto() 和 recvfrom()：用于 UDP Socket 的數據發送和接收。
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close()：關閉 Socket 并釋放相關資源。
二、TCP Socket 編程示例
2.1 服務器端代碼
以下是一個簡單的 TCP 服務器端代碼示例：
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int opt = 1;int addrlen = sizeof(address);// 創建 socket 文件描述符if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 強制綁定 socket 到端口 8080if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {perror("setsockopt");exit(EXIT_FAILURE);}address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(8080);if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}if (listen(server_fd, 3) < 0) {perror("listen");exit(EXIT_FAILURE);}if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}// 發送數據到客戶端const char* message = "Hello from server";send(new_socket, message, strlen(message), 0);// 關閉 socketclose(new_socket);close(server_fd);return 0;
}2.2 客戶端代碼
以下是一個簡單的 TCP 客戶端代碼示例：
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>int main() {struct sockaddr_in serv_addr;int sock = 0;if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {std::cerr << "Socket creation error" << std::endl;return -1;}serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(8080);// 將 IPv4 地址從文本轉換為二進制形式if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {std::cerr << "Invalid address/ Address not supported" << std::endl;return -1;}if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {std::cerr << "Connection Failed" << std::endl;return -1;}// 接收數據char buffer[1024] = {0};int valread = read(sock, buffer, 1024);std::cout << "Message from server: " << buffer << std::endl;// 關閉 socketclose(sock);return 0;
}三、UDP Socket 編程示例
3.1 服務器端代碼
以下是一個簡單的 UDP 服務器端代碼示例：
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>int main() {int server_fd;struct sockaddr_in address;int addrlen = sizeof(address);// 創建 socket 文件描述符if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(8080);if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}char buffer[1024] = {0};int n = recvfrom(server_fd, buffer, 1024, 0, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen);buffer[n] = '\0';std::cout << "Message from client: " << buffer << std::endl;// 關閉 socketclose(server_fd);return 0;
}3.2 客戶端代碼
以下是一個簡單的 UDP 客戶端代碼示例：
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>int main() {struct sockaddr_in serv_addr;int sock = 0;if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {std::cerr << "Socket creation error" << std::endl;return -1;}serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(8080);// 將 IPv4 地址從文本轉換為二進制形式if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {std::cerr << "Invalid address/ Address not supported" << std::endl;return -1;}const char* message = "Hello from client";sendto(sock, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));// 關閉 socketclose(sock);return 0;
}四、總結
通過 Socket 編程接口，C++ 提供了一種強大的機制來實現網絡層的功能。無論是 TCP 還是 UDP，都可以通過這些接口實現進程間的通信。
