socket网络编程之TCP、UDP

之前说的用于进程间通信的几种方式：消息signal、管道pipe、消息队列msg、共享内存shm、信号量sem。都只适用于一台主机上的进程间通信，那么如何实现两台计算机之间的进程通信呢？所以，来了解一下异地进程通信。

1 异地进程通信

• 协议层为双方的主机通信进程分配“端口”和缓冲区，以便异地进程间的通信。

  1.1TCP/IP协议

  以下是OSI参考模型与TCP/IP参考模型的对应关系：
  
  

  1.1.1 TCP/IP协议族

  TCP/IP 协议组大体上分为三部分：
  1．Internet 协议（IP）
  2．传输控制协议（TCP）和用户数据报文协议（UDP）
  3．处于TCP 和UDP 之上的一组协议专门开发的应用程序。它们包括：TELNET，文件传送协议（FTP），域名服务（DNS）和简单的邮件传送程序（SMTP）等许多协议。
  应用层协议

• Telnet
• 文件传送协议（FTP和TFTP）
• 简单的文件传送协议（SMTP）
• 域名服务（DNS）等协议

  2 网络编程基础

• socket标准被扩展成window socket和unix socket
• linux中的网络编程通过socket接口实现。
• Socket既是一种特殊的IO，它也是一种文件描述符。
• 一个完整的Socket 都有一个相关描述{协议，本地地址，本地端口，远程地址，远程端口}；每一个Socket 有一个本地的唯一Socket 号，由操作系统分配。

  2.1 SOCKET分类

  流式套接字（SOCK_STREAM）
  流式的套接字可以提供可靠的、面向连接的通讯流。它使用了TCP协议。TCP 保证了数据传输的正确性和顺序性。
  数据报套接字（SOCK_DGRAM）
  数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠，无差错。使用数据报协议UDP协议。
  原始套接字。
  原始套接字允许对低层协议如IP或ICMP直接访问，主要用于新的网络协议实现的测试等。

  2.2 编程流程

  TCP
  
  UDP
  
  具体函数的用法，就自己man了。

  2.2.1 套接字地址结构

  重点讲一下套接字地址结构：

  #include 
  struct sockaddr
  {
  unsigned short sa_family; /* address族, AF_xxx */
  char sa_data[14];     /* 14 bytes的协议地址 */
  };

• sa_family的取值，一般来说，IPV4使用“AF_INET”
• sa_data包含了一些远程电脑的地址、端口和套接字的数目，里面的数据是杂溶在一起的。一般我们不用这个结构体，因为我们一般使用的地址都是IP+端口号。比如：IP192.168.159.2 port3306 。这样来记录地址。所以一般使用下面这个地址结构，而知数据类型是等效的，可以互相转换。

  #include 
  struct sockaddr_in {
  short int sin_family; /* Internet地址族 */
  unsigned short int sin_port; /* 端口号 */
  struct in_addr sin_addr; /* Internet地址 */
  unsigned char sin_zero[8]; /* 添0（和struct sockaddr一样大小）*/
  };

  2.2.2 字节序列转换

• 因为每一个机器内部对变量的字节存储顺序不同（有的系统是高位在前，底位在后，而有的系统是底位在前，高位在后 )，而网络传输的数据大家是一定要统一顺序的。所以对与内部字节表示顺序和网络字节顺序不同的机器，就一定要对数据进行转换。
• htons()——“Host to Network Short”
  主机字节顺序转换为网络字节顺序（对无符号短型进行操作2bytes）
• htonl()——“Host to Network Long”　
  主机字节顺序转换为网络字节顺序（对无符号长型进行操作4bytes）
• ntohs()——“Network to Host Short”
  网络字节顺序转换为主机字节顺序（对无符号短型进行操作2bytes）
• ntohl()——“Network to Host Long ”
  网络字节顺序转换为主机字节顺序（对无符号长型进行操作4bytes）

  2.2.3地址格式转换

  -linux提供将点分格式的地址转于长整型数之间的转换函数。

• inet_addr()能够把一个用数字和点表示IP 地址的字符串转换成一个无符号长整型。

• inet_ntoa()能够把网络字节顺序转换为地址结构的数据。

  2.2.4基本套接字调用

  socket() bind() connect()
  listen() accept() send()
  recv() sendto() shutdown()
  recvfrom() close() getsockopt()
  setsockopt() getpeername()
  getsockname() gethostbyname()
  gethostbyaddr() getprotobyname()
  fcntl()

  练习1-TCP

  TCP连接，等待客户端输入，将内容发送给服务器，并获取客户端地址。
  这里，getsocketname()表示获得本地（自己）的地址；
  getpeername()表示获得连接上的客户端的地址（源IP地址）。
  
  
  server.c

  #include      
  #include 
  #include     //sockaddr_in
  #include 
  #include 
  
  int main()
  {
      int fd;
      int clientfd;
      int ret;
      pid_t pid;
      int addrLen = 0;
      char acbuf[20] = "";
      struct sockaddr_in addr = {0};  //自己的地址
      struct sockaddr_in clientAddr = {0};    //连上的客户端的地址
  
      //1.socket()
      fd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
      if(fd == -1)
      {
          perror("socket");
          return -1;
      }
  
      //2.bind()
      addr.sin_family = AF_INET;
      addr.sin_port = htons(1234);
      addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.159.6");
      ret = bind(fd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr_in));
      if(ret == -1)
      {
          perror("bind");
          return -1;
      }
  
      //3.listen()
      ret = listen(fd,10);
      if(ret == -1)
      {
          perror("listen");
          return -1;
      }
  
      //4.阻塞 等待 accept()
      clientfd = accept(fd,NULL,NULL);
      if(clientfd == -1)
      {
          perror("accept");
          return -1;
      }
  
  //获取客户端地址
  addrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
  ret = getpeername(clientfd, (struct sockaddr *)&clientAddr, &addrLen);
  if(ret == -1)
  {
      perror("getpeername");
      return -1;
  }
  printf("client login.\nip: %s , port: %d\n",inet_ntoa(clientAddr.sin_addr),ntohs(clientAddr.sin_port));
  
  //5.通信
  while(1)
  {
      memset(acbuf,0,20);
      if (read(clientfd,acbuf,20) > 0)
      {
          printf("receive: %s\n",acbuf);
      }
  
  }
  
  //6.close()
  close(fd);
  return 0;
  }

client.c

#include      
#include 
#include  //sockaddr_in
#include 
#include 

int main()
{
    int fd;
    int ret;
    char acbuf[20] = "";
    struct sockaddr_in serAddr = {0};

    //1.socket();
    fd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(fd == -1)
    {
        perror("socket");
        return -1;
    }

    //2.连接connect() 服务器的地址
    serAddr.sin_family = AF_INET;
    serAddr.sin_port = htons(1234);
    serAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.159.6");
    ret = connect(fd,(struct sockaddr *)&serAddr,sizeof(struct sockaddr_in));
    if(ret == -1)
    {
        perror("connect");
        return -1;
    }

    //3.通信
    while(1)
    {
        printf("send: ");
        fflush(stdout);
        scanf("%s",acbuf);
        if(strcmp(acbuf,"exit") == 0)
        {
            break;
        }
        write(fd,acbuf,strlen(acbuf));
    }

    //4.close()
    close(fd);
    return 0;
}

运行结果：

做个改进，以上代码，只能一个客户端连接上。因为TCP是基于点对点的，一个accept()对应一个connnect()。要想连接多个客户端，就得使用fork(），一个进程用来专门阻塞等待客户端的连接，一个用来处理与已连接上客户端的通信。
代码如下：

server.c

int main()
    {
        int fd;
        int clientfd;
        int ret;
        pid_t pid;
        int addrLen = 0;
        char acbuf[20] = "";
        char client_addr[100] = "";
        struct sockaddr_in addr = {0};  //自己的地址
        struct sockaddr_in clientAddr = {0};    //连上的客户端的地址

        signal(SIGCHILD,SIG_IGN);

        //1.socket()
        fd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
        if(fd == -1)
        {
            perror("socket");
            return -1;
        }

        //会出现没有活动的套接字仍然存在，会禁止绑定端口，出现错误：address already in use .
        //由TCP套接字TIME_WAIT引起，bind 返回 EADDRINUSE,该状态会保留2-4分钟
        //if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) <0)
            //{
        //      perror("setsockopet error\n");
        //      return -1;
            //}

        //2.bind()
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_port = htons(1234);
        addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.159.6");
        ret = bind(fd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr_in));
        if(ret == -1)
        {
            perror("bind");
            return -1;
        }

        //3.listen()
        ret = listen(fd,10);
        if(ret == -1)
        {
            perror("listen");
            return -1;
        }

        while(1)        
        {
            //4.阻塞等待 accept()
            clientfd = accept(fd,NULL,NULL);
            if(clientfd == -1)
            {
                perror("accept");
                return -1;
            }

            pid = fork();   //父进程负责继续监听等待，子进程父子与已连接客户端通信

            if(pid == -1)
            {
                perror("fork");
                return -1;
            }
            if(pid == 0)    //子进程
            {
                //获取客户端地址
                addrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
                ret = getpeername(clientfd, (struct sockaddr *)&clientAddr, &addrLen);
                if(ret == -1)
                {
                    perror("getpeername");
                    return -1;
                }
                sprintf(client_addr,"ip: %s , port: %d\n",\
                    inet_ntoa(clientAddr.sin_addr),ntohs(clientAddr.sin_port));
                printf("client longin.\n%s\n",client_addr);

                //5.通信
                while(1)
                {
                    memset(acbuf,0,20);
                    if (read(clientfd,acbuf,20) == 0)   //客户端退出
                    {
                        //结束相应的server进程
                        close(clientfd);
                        exit(0);    //僵尸进程
                    }
                    printf("from %sreceive : %s\n\n",client_addr,acbuf);
                }
            }
            else    //父进程
            {
                //返回while，继续等待
            }

        }

        //6.close()
        close(fd);
        return 0;
    }

这里一定要注意，每结束一个客户端，一定要关掉相应的文件描述符，并且结束掉子进程（僵尸进程），不然，随着客户端的增加，进程数会越来越大
client.c

int main()
{
    int fd;
    int ret;
    int addrLen;
    char acbuf[20] = "";
    struct sockaddr_in serAddr = {0};
    struct sockaddr_in myAddr = {0};

    //1.socket();
    fd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(fd == -1)
    {
        perror("socket");
        return -1;
    }

    //2.连接connect() 服务器的地址
    serAddr.sin_family = AF_INET;
    serAddr.sin_port = htons(1234);
    serAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.159.6");
    ret = connect(fd,(struct sockaddr *)&serAddr,sizeof(struct sockaddr_in));
    if(ret == -1)
    {
        perror("connect");
        return -1;
    }

    //获取自己的地址
    addrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
    ret = getsockname(fd,(struct sockaddr *)&myAddr,&addrLen);
    if(ret == -1)
    {
        perror("getsockname");
        return -1;
    }
    printf("client---ip: %s , port: %d\n",\
                inet_ntoa(myAddr.sin_addr),ntohs(myAddr.sin_port));
    //3.通信
    while(1)
    {
        printf("send: ");
        fflush(stdout);
        scanf("%s",acbuf);
        if(strcmp(acbuf,"exit") == 0)
        {
            break;
        }
        write(fd,acbuf,strlen(acbuf));
    }

    //4.close()
    close(fd);
    return 0;
}

运行结果：

练习2-UDP

使用UDP连接，完成上述内容。但是发现，使用UDP，因为是面向无连接的，所以在没有收到或者发送包之前，是无法得知源IP地址的。
那UDP如何知道客户端的IP地址和端口呢？
1、由客户端显示地高速服务器IP地址和端口，发消息。
2、隐式的。服务器从收到的包头中得到源IP和端口号。
server.c

int main()
{
    int sockfd;
    int ret;
    char acbuf[20] = "";
    char client_addr[100] = "";
    struct sockaddr_in addr = {0};
    struct sockaddr_in clientAddr = {0};
    int addrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
    int reuse = 0;

    //1.socket()
    sockfd = socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    if(sockfd == -1)
    {
        perror("socket");
        return -1;
    }

    //2.bind()
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(1235);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    ret = bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,addrLen);
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind");
        return -1;
    }

    //3.通信
    while(1)
    {
        memset(acbuf,0,20);
        if(recvfrom(sockfd, acbuf, 100,0,(struct sockaddr *)&clientAddr,&addrLen) == -1)
        { 
            perror("recvfrom"); 
            return -1;
         } 
         //收到客户端的数据包之后，就可以知道客户端地址
        sprintf(client_addr," ip: %s , port: %d\n",\
                inet_ntoa(clientAddr.sin_addr),ntohs(clientAddr.sin_port));
         printf("receive from %s: %s\n",client_addr,acbuf);

    }

    //4.close
    close(sockfd);

    return 0;
}

client.c

int main()
{
    int sockfd;
    int ret;
    int addrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
    char acbuf[20] = "";
    struct sockaddr_in serAddr = {0};
    struct sockaddr_in myAddr = {0};

    //1.socket()
    sockfd = socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    if(sockfd == -1)
    {
        perror("socket");
        return -1;
    }
    serAddr.sin_family = AF_INET;
    serAddr.sin_port = htons(1235);
    serAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    //2.通信
    while(1)
    {
        printf("send: ");
        fflush(stdout);
        scanf("%s",acbuf);
        if(strcmp(acbuf,"exit") == 0)
        {
            break;
        }
        sendto(sockfd, acbuf, 20,0,(struct sockaddr *)&serAddr,addrLen);

        //获取自己的地址
        ret = getsockname(sockfd,(struct sockaddr *)&myAddr,&addrLen);
        if(ret == -1)
        {
            perror("getsockname");
            return -1;
        }
        printf("client---ip: %s , port: %d\n\n",\
                    inet_ntoa(myAddr.sin_addr),ntohs(myAddr.sin_port));

    }

    //3.close
    close(sockfd);

    return 0;
}

运行结果：

会发现，此时是可以直接运行多个客户端的，因为，UDP是面向无连接的，可以是一对多，多对一，多对多的，只要客户端知道服务器地址，就可以连上。


Ps:本人理解有限，还未学习完，有错请指出。