Linux 网络编程 一

一、网络编程基础

网络编程本身是一门很大的学问，涉及到的东西也很多，尤其是各种协议。先看图：

正如上图所示，网络编程中包含五大层面(也有区分六个层面)，从应用层到物理层可以明显看出 越往下越接近计算机硬件。自己并不是专业网络编程的工程师，所以仅对这五大层面有一点点粗浅的了解，这篇文章网络编程技巧博主写的比较详细. 平时大多数所谓网络编程，其实是在传输层、网络层方面.

二、socket编程

首先，socket(套接字)编程应该属于传输层，主要实现的是端到端的通信，非常类似于很久很久以前的固话通信，应用程序可以通过它发送或者接受数据，可以对它进行像文件似得读写、关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。

其次，网络中两台或多台主机之间进行通信，必须知道对应主机的地址，也就是其IP地址，但是只知道IP地址是远远不够的，试想如你在本机A发送了一个消息，另一个台主机B也接收到到了该消息，但是到底是B主机的哪一个进程接受并处理该消息？就像你用QQ给B发送消息，但是B不可能通过陌陌收到该消息。 因此，相互通信的主机之间还必须确定一一对应的消息处理接口--端口。端口的存在，主要是为了确认消息一一对应性。另外，端口号其实就是一个从0开始的到65535之间的一个整型数字，0~1023端口，也就是常说的静态端口，已被操作系统另做它用(http,https,ftp等各种协议占用)，我们自己所能使用的端口范围只能从1024开始，即动态端口取值[1024,65535].

可是看出，若要进行网络间通信，socket至少要包含IP+port两个方面，其实事实也是如此.还是以有线电话做为类比，socket其实就是自己家中的一部电话，其中IP就是家庭地址，port就是自己家的电话号码，当要给别人打电话时，别人家当然也必须有自己的座机和专属于该座机的号码.
或许我们也能猜出，socket编程是网络编程里边必不可少且及其重要的一个环节.

三、Linux+socket实践

1、目的

熟悉Linux（这里用Ubuntu16.04版本，其他版本类似）下socket编程基本流程，掌握socket编程基本原理，搞懂Linux下socket编程所必须的函数及其用法.

实验：在本地模拟两台机器，服务器和客户端，服务器监听客户端信息并能发送广播，客户端可以主动给服务器发送消息,其中消息的输入是从标准输入设备输入，并输出到标准输出--Linux 终端.

开始之前必须了解一点 什么是文件描述符,在Unix Linux系统中，文件描述符是一个非负整数，其存在作用更像一个索引，系统内核通过该"索引"找到对应的文件、设备、外设、安装的软件等等, 并通过描述符对它们进行操作。总而言之，文件描述符对应了系统上的所有文件，这里的文件并非"传统意义上的普通文件",而是指Linux系统内核所能管理1的一切，包含文档、文件、硬件设备、系统软件等等。这也体现了Linux系统的设计思想----把一切视作文件.

2、必要接口

1）、socket函数

既然socket这么重要，来看它到底是个什么东西.在Linux终端执行：man socket,出现：

通过Linux手册查询可以知道该函数所必须的头文件，函数声明和函数描述等信息.从[DESCRIPTION]字段可知，函数创建了一个用于通信的端点并返回该端点的描述符，若创建成功，返回创建套接字的文件描述符，否则返回一负数.
函数声明 int socket(int domain,int type,int protocol);

参数 domain:表示创建该socket所使用的通讯协议家族--地址族，现在一般用IPv4协议，所以通常会选择AF_INET;
参数type：指定所需的通信类型。包括数据流（SOCK_STREAM）<-->TCP协议、数据报（SOCK-DGRAM）<-->UDP协议和原始类型（S0CK_RAW）<-->新网格协议的开发测试.
参数protocol：说明该套接字使用的协议族中的特定协议。如果不希望特别指定使用的协议，则置为0，使用默认的连接模式.
若要进行 基于TCP IP的网络开发测试，则函数创建方式一般为：

int listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

2）、bind函数

既然有了一部“电话”，那么就需要为该电话绑定唯一的“所属地址”，同样Linux命令行执行：man bind,同样函数声明为：

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

从手册的描述中可以看出，当成功创建socket套接字后，调用该函数可以将所创建的套接字(sockfd)和指定的地址(addr)绑定.
地址是由这样一个结构体指定:

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;  //地址族
    char sa_data[14];       //14字节的协议地址
}

上面struct sockaddr是通用地址，在网络编程中 internet sockaddr使用下面地址，两种地址可以互换：

struct sockaddr_in { 
    short int sin_family; /* 地址族，AF_xxx 在socket编程中只能是AF_INET */ 
    unsigned short int sin_port; /* 端口号 （使用网络字节顺序） */ 
    struct in_addr sin_addr; /* 存储IP地址 4字节 */ 
    unsigned char sin_zero[8]; /* 总共8个字节，实际上没有什么用，只是为了和struct sockaddr保持一样的长度 */ 
}; 

bind()函数的第三个参数表示地址所占字节长度，socklen_t本质上是一个 unsigned int宏定义.
可以通过这样方式指定地址:

    struct sockaddr_in serveraddr;
    memset(&serveraddr,0,sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_port = htons(5188);
    serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    //serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

首先声明网络接口地址结构，在给该地址赋值前必须将其清空.依次设置该地址的地址族、IP和端口(这里随便设置了一个)，上边出现另一个新函数htons,同样终端下man htons,可知该函数的主要作用是将主机字节序转化为网络字节序，关于这两个字节序后续再深入研究.这里可以理解为：htons()的主要作用就是将十进制的ip地址和端口号转化为网络可以识别的"东东".

至此，基本可以完成座机的安装入户和号码绑定：

bing(listenfd,(struct sockaddr *)&serveraddr,sizeof(serveraddr));

3)、listen监听函数

对于我们的服务器而言，它需要监听来自客户端发来的消息，Linix终端中 man listen可以看到详细信息. 函数声明为：

int listen(int socdfd,int backlog);

其中参数sockfd代指所要监听的套接字文件描述符，参数backlog表示在套接字挂起时，所能接受请求的最大队列长度.函数执行成功返回 0，否则返回 -1.

必须说明一点，当调用该函数后，参数socdfd所指定的套接字将变为被动套接字,所谓被动套接字，是指其只能用来接收来自其他用户的链接请求. 类似于改变了套接字的状态，使其只能用于接收.

4)、accept 接收函数

对于我们的服务器而言，由于其只具备接收功能，因此必须创建一个接受函数:

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

函数参数不言自明，参数1sockfd表示服务器socket描述符，参数2是指客户端的协议地址，参数3为地址长度. 函数成功返回监听的等待队列中第一个套接字的描述符.

3、服务器实现

服务器的功能是监听客户端发来的消息，并将消息广播给客户端.因此需要一个循环实时监听客户端发来的消息，在本地构建一个简单的服务器如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define ERR_EXIT(m) \
  do \
  { \
    perror(m);\
    exit(EXIT_FAILURE);\
   }while(0)

int main(void){
  
  int listenfd;
    if(( listenfd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0){
        ERR_EXIT("socket");
    }
    struct sockaddr_in serveraddr;
    memset(&serveraddr,0,sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_port = htons(5188);
    serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    //serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    if(bind(listenfd,(struct sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr))<0)
      ERR_EXIT("bind");
      
    //一旦监听，则为被动套接字(只能接受连接，调用accep函数之前调用)，这里随便给了一个最大队列长度
    if(listen(listenfd,100)< 0)  
      ERR_EXIT("listen");
    
    //声明一个地址，用于存储客户端链接时的协议地址
    struct sockaddr_in peeraddr;
    socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr);
    int conn;  //返回的一个主动套接字
    if((conn= accept(listenfd,(struct sockaddr*)&peeraddr,&peerlen))<0)
        ERR_EXIT("accept");

    char recvbuff[1024];
    while(1){
            memset(recvbuff,0,sizeof(recvbuff));
            int ret = read(conn,recvbuff,sizeof(recvbuff));
            fputs(recvbuff,stdout);
            write(conn,recvbuff,ret);

        }
    close(listenfd);    
  return 0;
}

其中用到了几个非socket API的函数：

ssize_t read(int fd,void *buf,size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

read()函数：负责从fd所指定文件描述符读取字节大小为count的数据到buf中.若成功返回实际读取到的字节大小,否则返回负数,返回0表示读取到文件结束.
write():将buf中的count个字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数.

4、客户端实现

客户端的实现和服务器的实现之间大同小异，同样都需要 ” 安装电话 “ ，但是客户端的功能仅在于向外”拨打电话“. 区别在于客户端是主动发起连接请求,所以它必须知道自己所要连接的目标，之后服务器才有响应.同样客户端并不需要监听，只需要接收到服务器的广播即可. 发起连接请求需要函数 connect：

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

在上述连接函数中，参数sockfd表示本机(客户端)的socket套接字描述符，参数addr表示服务器端的地址，参数3表示地址长度.
代码实现：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define ERR_EXIT(m) \
  do \
  { \
    perror(m);\
    exit(EXIT_FAILURE);\
   }while(0)

int main(void){
  
  int sock;
    if(( sock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0){
        ERR_EXIT("socket");
    }
    struct sockaddr_in serveraddr;
    memset(&serveraddr,0,sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_port = htons(5188);
   // serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    
    //发起连接
    connect(sock,(struct sockadddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr));
 
    char recvbuf[1024]={0};
    char sendbuf[1024]={0};
    while(fgets(sendbuf,sizeof(sendbuf),stdin)!= NULL){
            write(sock,sendbuf,strlen(sendbuf));
            read(sock,recvbuf,sizeof(recvbuf));
            fputs(recvbuf,stdout);
            memset(recvbuf,0,sizeof(recvbuf));
        }

     close(sock);
  return 0;
}

上述函数功能就是从客户端主动向服务器发送连接请求，并在客户端机器的标准设备上如字符，服务器接受并返回. 实现两台机器通信的模拟.

5、结果

效果如下图：
用gcc编译上述两个文件，首先启动服务器，之后启动客户端.在客户端随便输入字符，服务器解收到并广播返回. 至此基本完成目的.

三、总结

目前来看，创建服务器的一般流程是：

1.创建socket套接字(`socket`函数)；
2.创建服务器地址，地址包含协议族、IP和端口号(`const struct sockaddr*`)；
3.绑定套接字和服务器地址(bind函数);
4.系统监听服务器,一旦监听则该套接字变为被动套接字，只能用于接收数据(`listen`函数)；
5.作为服务器，应该能接收客户端信息（`accept`函数）,该函数返回一个主动套接字；

基于以上步骤，基本能搭建一个简单的服务器.

客户端的搭建相比而言简单许多：

1.创建用于连接的套接字；
2.将套接字和服务器地址连接；
3.发送消息

网络编程毕竟浪大水深，毕竟初涉，慢慢填充.