Linux網絡編程概述

Linux網絡編程是在Linux操作系統環境下進行的網絡相關程序開發，主要用于實現不同計算機之間的數據通信和資源共享。以下從基礎知識、網絡編程模型、常用函數和編程步驟等方面進行詳細介紹：

基礎知識

1. 網絡協議

  • TCP/IP協議族：是互聯網通信的基礎協議，包括多個層次的協議。例如，IP協議負責網絡層的數據包傳輸，TCP和UDP協議則工作在傳輸層。

    • TCP（傳輸控制協議）：提供面向連接、可靠的、基于字節流的傳輸服務。在進行數據傳輸前需要建立連接，傳輸完成后需要斷開連接，適合對數據準確性要求較高的場景，如文件傳輸、網頁瀏覽等。

    • UDP（用戶數據報協議）：提供無連接、不可靠的傳輸服務。不需要建立連接，數據以數據報的形式發送，適合對實時性要求較高、對數據準確性要求相對較低的場景，如視頻會議、實時游戲等。

2. 網絡地址

  • IP地址：用于唯一標識網絡中的設備，分為IPv4和IPv6兩種。IPv4地址由32位二進制數組成，通常表示為點分十進制形式，如192.168.1.1；IPv6地址由128位二進制數組成，采用冒號分隔的十六進制表示。

  • 端口號：用于區分同一設備上不同的網絡應用程序，范圍從0到65535。其中，0 - 1023為系統保留端口，通常由系統服務使用，如HTTP服務默認使用80端口，HTTPS服務默認使用443端口。

網絡編程模型

1. 客戶端 - 服務器模型

  • 這是最常見的網絡編程模型，由客戶端和服務器兩部分組成。服務器監聽特定的端口，等待客戶端的連接請求；客戶端主動發起連接請求，與服務器建立連接后進行數據交互。

2. 多進程/多線程模型

  • 多進程模型：服務器為每個客戶端連接創建一個新的進程來處理，各個進程之間相互獨立，一個進程的崩潰不會影響其他進程。但創建和銷毀進程的開銷較大，會消耗較多的系統資源。

  • 多線程模型：服務器為每個客戶端連接創建一個新的線程來處理，線程共享進程的資源，創建和銷毀線程的開銷相對較小。但線程之間的同步和互斥問題需要處理，否則可能會出現數據不一致的情況。

3. I/O多路復用模型

  • 使用select、poll或epoll等函數，讓一個進程可以同時監聽多個文件描述符（包括網絡套接字）的讀寫事件，當某個文件描述符有事件發生時，通知進程進行相應的處理。這種模型可以提高服務器的并發處理能力，減少系統資源的消耗。

常用函數

1. 套接字相關函數

  • socket()：用于創建一個套接字，返回一個文件描述符。例如：

#include <sys/socket.h>
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

其中，AF_INET表示使用IPv4地址族，SOCK_STREAM表示使用TCP協議。

  • bind()：將套接字與指定的IP地址和端口號綁定。例如：

#include <arpa/inet.h>
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_addr.sin_port = htons(8888);
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

  • listen()：將套接字設置為監聽狀態，等待客戶端的連接請求。例如：

listen(sockfd, 5);

其中，5表示允許的最大連接請求隊列長度。

  • accept()：接受客戶端的連接請求，返回一個新的套接字描述符用于與客戶端進行通信。例如：

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);

  • connect()：客戶端使用該函數向服務器發起連接請求。例如：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
server_addr.sin_port = htons(8888);
connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

2. 數據讀寫函數

  • send()/recv()：用于TCP套接字的數據發送和接收。例如：

// 發送數據
char *msg = "Hello, server!";
send(sockfd, msg, strlen(msg), 0);// 接收數據
char buffer[1024];
int n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);

  • sendto()/recvfrom()：用于UDP套接字的數據發送和接收，需要指定目標地址。例如：

// 發送數據
struct sockaddr_in server_addr;
// 初始化server_addr
sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));// 接收數據
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);

編程步驟

1. 服務器端編程步驟

  1. 創建套接字（socket()）。

  2. 綁定套接字到指定的IP地址和端口號（bind()）。

  3. 將套接字設置為監聽狀態（listen()）。

  4. 接受客戶端的連接請求（accept()）。

  5. 與客戶端進行數據交互（send()/recv()）。

  6. 關閉套接字（close()）。

2. 客戶端編程步驟

  1. 創建套接字（socket()）。

  2. 向服務器發起連接請求（connect()）。

  3. 與服務器進行數據交互（send()/recv()）。

  4. 關閉套接字（close()）。

示例代碼

以下是一個簡單的TCP服務器和客戶端示例代碼：

服務器端代碼（server.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>#define PORT 8888int main() {int sockfd, connfd;struct sockaddr_in server_addr, client_addr;socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);char buffer[1024];// 創建套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd == -1) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 初始化服務器地址結構memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;server_addr.sin_port = htons(PORT);// 綁定套接字if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 監聽套接字if (listen(sockfd, 5) == -1) {perror("listen failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server listening on port %d...\n", PORT);// 接受客戶端連接connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);if (connfd == -1) {perror("accept failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Client connected.\n");// 接收客戶端數據int n = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer), 0);if (n == -1) {perror("recv failed");exit(EXIT_FAILURE);}buffer[n] = '\0';printf("Received from client: %s\n", buffer);// 發送響應數據char *msg = "Hello, client!";send(connfd, msg, strlen(msg), 0);// 關閉套接字close(connfd);close(sockfd);return 0;
}

客戶端代碼（client.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8888int main() {int sockfd;struct sockaddr_in server_addr;char buffer[1024];// 創建套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd == -1) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 初始化服務器地址結構memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);server_addr.sin_port = htons(PORT);// 連接服務器if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("connect failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Connected to server.\n");// 發送數據char *msg = "Hello, server!";send(sockfd, msg, strlen(msg), 0);// 接收服務器響應int n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);if (n == -1) {perror("recv failed");exit(EXIT_FAILURE);}buffer[n] = '\0';printf("Received from server: %s\n", buffer);// 關閉套接字close(sockfd);return 0;
}

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