Linux编程学习笔记：网络编程核心

来源：佚名编辑：佚名

2024-01-27 23:14:59

一、Linux网络概述
Linux为用户提供了完善的、强大的网络功能

1、完善的内置网络，其他操作系统不包含如此紧密的和内核结合的网络部分

2、Linux免费提供了大量支持Internet的软件，Internet是在Unix领域中建立并繁荣起来的，在这方面使用Linux是相当方便的，用户能用Linux与世界上的其他人通过Internet网络进行通信

3、用户能通过一些Linux命令完成内部信息或文件的传输

4、对远程访问的支持

5、安全可靠，采用多种安全技术的措施为用户提供了安全保障

网络模型

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_02

第一部分为网络层协议：Internet协议（IP），网络控制报文协议（ICMP）和地址解析协议（ARP）

第二部分是传输层协议：传输控制协议（TCP）（面向连接的可靠的）和用户数据报文协议（UDP）（不可靠的非连接）

第三部分为应用层协议：Telnet、文件传输协议（FTP和TFTP）、简单文件传输协议（SMTP）和域名服务（DNS）等

协议封装

Linux编程学习笔记：网络编程核心_服务器_03

使用wireshark抓包分析

Linux编程学习笔记：网络编程核心_服务器_04

层层封装：以太网->IP->TCP

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_05

以太网->IP->TCP->HTTP

以太网包

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_06

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_07

IP协议
IP协议的功能：数据传送、寻址、路由选择、数据报文的分段

主要目的是为数据输入、输出网络提供基本算法，为高层协议提供无连接的传送服务，这意味着IP将数据递交给接收站点以前不在传输站点和接收站点之间建立对话，它只是封装和传递数据，但不向发送者或接受者报告包的状态，不处理所遇到的故障

由协议头和协议数据构成

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_08

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_09

TCP协议
是重要的传输层协议，目的是允许数据同网络上的其他节点进行可靠的交换，它能提供端口编号的译码，以识别主机的应用程序，而且完成数据的可靠传输

TCP协议具有严格的内装差错检验算法确保数据的完整性

TCP是面向字节的顺序协议，这意味着包内的每个字节被分配一个顺序编号，并分配给每包一个顺序编号

Linux编程学习笔记：网络编程核心_服务器_10

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_11

UDP协议
也是传输层协议，它是无连接的，不可靠的传输服务。当接收数据时它不向发送方提供确认信息，它不提供输入包的顺序，如果出现丢失包或重份包的情况，也不会向发送方发出差错报文。由于它执行功能时具有较低的开销，因而执行速度比TCP快

Linux编程学习笔记：网络编程核心_数据_12

二、Linux网络编程基础
Socket
Linux中的网络编程通过Socket（套接字）实现，Socket是一种文件描述符

三种类型
1、流式套接字（SOCK_STREAM）

可以提供可靠的、面向连接的通讯流，它使用TCP协议，TCP保证了数据传输的正确性和顺序性

2、数据报套接字（SOCK_DGRAM）

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，它使用数据报协议UDP

3、原始套接字（SOCK_RAW）

允许使用IP协议，主要用于新的网络协议的测试等

网络地址

struct sockaddr
{
u_short sa_family;
char sa_data[14];
}

sa_family：协议族，采用‘AF_xxx’的形式，如：AF_INET（IP协议族）

sa_data：14字节的特定协议地址

地址结构

Linux编程学习笔记：网络编程核心_服务器_13

另外一个结构

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_14

地址转换
IP地址通常由数字加点的形式表示，而在struct in_addr中爱是用的IP地址是由32位的整数表示的

int inet_aton(const char *cp,struct in_addr *inp)

char * inet_ntoa(struct in_addr in)

前者字符串->32位整数，后者32位数字->字符串

字节序
网络上同一使用big endian，低字节先传输

当内部字节存储顺序和网络字节序不同就需要转换

为什么需要，例子：

Linux编程学习笔记：网络编程核心_服务器_15

转换：

htons：把unsigned short类型从主机序转换到网络序（发送）

htonl：把unsigned long类型从主机序转换到网络序（发送）

ntohs：把unsigned short类型从网络序转换到主机序（接收）

ntohl：把unsigned long类型从网络序转换到主机序（接收）

IP与主机名

Linux编程学习笔记：网络编程核心_服务器_16

Socket编程函数
socket：创建一个socket

bind：用于绑定IP地址和端口号到socket

connect：用于与服务器建立连接

listen：设置服务器能处理的最大连接要求

accept：用来等待来自服务端的socket连接请求

send：发送数据

recv：接收数据

三、基于TCP
服务器

Linux编程学习笔记：网络编程核心_数据_17

客户端

Linux编程学习笔记：网络编程核心_服务器_18

通信模型

Linux编程学习笔记：网络编程核心_服务器_19

示例代码tcp_server.c

#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <errno.h> 
#include <string.h> 
#include <netdb.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <arpa/inet.h> 
 
#define portnumber 3333
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
  int sockfd,new_fd; 
  struct sockaddr_in server_addr; 
  struct sockaddr_in client_addr; 
  int sin_size; 
  int nbytes;
  char buffer[1024];
  
 
  /* 服务器端开始建立sockfd描述符 */ 
  if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) // AF_INET:IPV4;SOCK_STREAM:TCP
  { 
    fprintf(stderr,"Socket error:%s\n\a",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  /* 服务器端填充 sockaddr结构 */ 
  bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in)); // 初始化,置0
  server_addr.sin_family=AF_INET;                 // Internet
  server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);  // (将本机器上的long数据转化为网络上的long数据)和任何主机通信  //INADDR_ANY 表示可以接收任意IP地址的数据，即绑定到所有的IP
  //server_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.1.1");  //用于绑定到一个固定IP,inet_addr用于把数字加格式的ip转化为整形ip
  server_addr.sin_port=htons(portnumber);         // (将本机器上的short数据转化为网络上的short数据)端口号
  
  /* 捆绑sockfd描述符到IP地址 */ 
  if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1) 
  { 
    fprintf(stderr,"Bind error:%s\n\a",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  /* 设置允许连接的最大客户端数 */ 
  if(listen(sockfd,5)==-1) 
  { 
    fprintf(stderr,"Listen error:%s\n\a",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  while(1) 
  { 
    /* 服务器阻塞,直到客户程序建立连接 */ 
    sin_size=sizeof(struct sockaddr_in); 
    if((new_fd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)(&client_addr),&sin_size))==-1) 
    { 
      fprintf(stderr,"Accept error:%s\n\a",strerror(errno)); 
      exit(1); 
    } 
    fprintf(stderr,"Server get connection from %s\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr)); // 将网络地址转换成.字符串
    
    if((nbytes=read(new_fd,buffer,1024))==-1) 
    { 
      fprintf(stderr,"Read Error:%s\n",strerror(errno)); 
      exit(1); 
    }     
    buffer[nbytes]='\0';
    printf("Server received %s\n",buffer);
    
    /* 这个通讯已经结束 */ 
    close(new_fd); 
    /* 循环下一个 */ 
  } 
 
  /* 结束通讯 */ 
  close(sockfd); 
  exit(0); 
}

示例代码tcp_client.c

#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <errno.h> 
#include <string.h> 
#include <netdb.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <arpa/inet.h>
 
#define portnumber 3333
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
  int sockfd; 
  char buffer[1024]; 
  struct sockaddr_in server_addr; 
  struct hostent *host; 
 
        /* 使用hostname查询host 名字 */
  if(argc!=2) 
  { 
    fprintf(stderr,"Usage:%s hostname \a\n",argv[0]); 
    exit(1); 
  } 
 
  if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) 
  { 
    fprintf(stderr,"Gethostname error\n"); 
    exit(1); 
  } 
 
  /* 客户程序开始建立 sockfd描述符 */ 
  if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) // AF_INET:Internet;SOCK_STREAM:TCP
  { 
    fprintf(stderr,"Socket Error:%s\a\n",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  /* 客户程序填充服务端的资料 */ 
  bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化,置0
  server_addr.sin_family=AF_INET;          // IPV4
  server_addr.sin_port=htons(portnumber);  // (将本机器上的short数据转化为网络上的short数据)端口号
  server_addr.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr); // IP地址
  
  /* 客户程序发起连接请求 */ 
  if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1) 
  { 
    fprintf(stderr,"Connect Error:%s\a\n",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  /* 连接成功了 */ 
  printf("Please input char:\n");
  
  /* 发送数据 */
  fgets(buffer,1024,stdin); 
  write(sockfd,buffer,strlen(buffer)); 
 
  /* 结束通讯 */ 
  close(sockfd); 
  exit(0); 
}

运行结果：客户端

[gyy@localhost TCP]$ gcc tcp_client.c -o tcp_client
[gyy@localhost TCP]$ ./tcp_client 192.168.1.30
Please input char:
12345

运行结果：服务器

[gyy@localhost TCP]$ gcc tcp_server.c -o tcp_server
[gyy@localhost TCP]$ ./tcp_server
Server get connection from 192.168.1.30
Server received 12345

代码分析：服务器三次阻塞：第一次等待连接，第二次等待读，第三次客户端发送完成后断开连接服务器等待连接

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_20

四、基于UDP

Linux编程学习笔记：网络编程核心_数据_21

客户端

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_22

通信模型

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_20

示例代码udp_server.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
 
#define SERVER_PORT 8888 
#define MAX_MSG_SIZE 1024 
 
void udps_respon(int sockfd) 
{ 
  struct sockaddr_in addr; 
  int addrlen,n; 
  char msg[MAX_MSG_SIZE]; 
 
  while(1) 
  { /* 从网络上读,并写到网络上 */ 
    bzero(msg,sizeof(msg)); // 初始化,清零
    addrlen = sizeof(struct sockaddr); 
    n=recvfrom(sockfd,msg,MAX_MSG_SIZE,0,(struct sockaddr*)&addr,&addrlen); // 从客户端接收消息
    msg[n]=0; 
    /* 显示服务端已经收到了信息 */ 
    fprintf(stdout,"Server have received %s",msg); // 显示消息
  } 
} 
 
int main(void) 
{ 
  int sockfd; 
  struct sockaddr_in addr; 
 
  /* 服务器端开始建立socket描述符 */ 
  sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); 
  if(sockfd<0) 
  { 
    fprintf(stderr,"Socket Error:%s\n",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  /* 服务器端填充 sockaddr结构 */ 
  bzero(&addr,sizeof(struct sockaddr_in)); 
  addr.sin_family=AF_INET; 
  addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); 
  addr.sin_port=htons(SERVER_PORT); 
 
  /* 捆绑sockfd描述符 */ 
  if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr_in))<0) 
  { 
    fprintf(stderr,"Bind Error:%s\n",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  udps_respon(sockfd); // 进行读写操作
  close(sockfd); 
}

示例代码udp_client.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
 
#define SERVER_PORT 8888 
#define MAX_BUF_SIZE 1024 
 
void udpc_requ(int sockfd,const struct sockaddr_in *addr,int len) 
{ 
  char buffer[MAX_BUF_SIZE]; 
  int n; 
  while(1) 
  {   /* 从键盘读入,写到服务端 */ 
    printf("Please input char:\n");
    fgets(buffer,MAX_BUF_SIZE,stdin); 
    sendto(sockfd,buffer,strlen(buffer),0,addr,len); 
    bzero(buffer,MAX_BUF_SIZE); 
  } 
} 
 
int main(int argc,char **argv) 
{ 
  int sockfd; 
  struct sockaddr_in addr; 
 
  if(argc!=2) 
  { 
    fprintf(stderr,"Usage:%s server_ip\n",argv[0]); 
    exit(1); 
  }
 
  /* 建立 sockfd描述符 */ 
  sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); 
  if(sockfd<0) 
  { 
    fprintf(stderr,"Socket Error:%s\n",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  /* 填充服务端的资料 */ 
  bzero(&addr,sizeof(struct sockaddr_in)); 
  addr.sin_family=AF_INET; 
  addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
  if(inet_aton(argv[1],&addr.sin_addr)<0)  /*inet_aton函数用于把字符串型的IP地址转化成网络2进制数字*/ 
  { 
    fprintf(stderr,"Ip error:%s\n",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  udpc_requ(sockfd,&addr,sizeof(struct sockaddr_in)); // 进行读写操作
  close(sockfd); 
}

运行结果：客户端

[gyy@localhost UDP]$ gcc udp_client.c -o udp_client
[gyy@localhost UDP]$ ./udp_client 192.168.1.30
Please input char:
hello
Please input char:
world
Please input char:

运行结果：服务器

[gyy@localhost UDP]$ gcc udp_server.c -o udp_server
[gyy@localhost UDP]$ ./udp_server
Server have received hello
Server have received world

五、服务器模型

在网络程序里，一般来说都是许多客户对应一个服务器，两种服务器模型

循环服务器、并发服务器

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_24

TCP循环服务器

Linux编程学习笔记：网络编程核心_服务器_25

TCP循环服务器一次只能处理一个客户端的请求，只有在这个客户的所有请求都满足后，服务器才可以继续后面的请求。这样如果有一个客户端占住了服务器不放时，其它的客户机都不能工作了，因此TCP服务器一般很少用循环服务器模型

Linux编程学习笔记：网络编程核心_#include_26

示例代码：tcp_server_fork.c

#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <errno.h> 
#include <string.h> 
#include <netdb.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <arpa/inet.h>
#define MY_PORT 3333
 
int main(int argc ,char **argv)
{
 int listen_fd,accept_fd;
 struct sockaddr_in     client_addr;
 int n;
 
 if((listen_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
  {
        printf("Socket Error:%s\n\a",strerror(errno));
        exit(1);
  }
 
 bzero(&client_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
 client_addr.sin_family=AF_INET;
 client_addr.sin_port=htons(MY_PORT);
 client_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
 n=1;
 /* 如果服务器终止后,服务器可以第二次快速启动而不用等待一段时间  */
 setsockopt(listen_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&n,sizeof(int));
 if(bind(listen_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,sizeof(client_addr))<0)
  {
        printf("Bind Error:%s\n\a",strerror(errno));
        exit(1);
  }
  listen(listen_fd,5);
  while(1)
  {
   accept_fd=accept(listen_fd,NULL,NULL);
   if((accept_fd<0)&&(errno==EINTR))
          continue;
   else if(accept_fd<0)
    {
        printf("Accept Error:%s\n\a",strerror(errno));
        continue;
    }
  if((n=fork())==0)
   {
  //printf("OK\n");
        /* 子进程处理客户端的连接 */
        char buffer[1024];
 
        close(listen_fd);
        n=read(accept_fd,buffer,1024);
        write(accept_fd,buffer,n);
    printf("receive:%s\n",buffer);
        close(accept_fd);
        exit(0);
   }
   else if(n<0)
        printf("Fork Error:%s\n\a",strerror(errno));
   close(accept_fd);
  }
}

示例代码：tcp_client.c

#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <errno.h> 
#include <string.h> 
#include <netdb.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <arpa/inet.h>
#define portnumber 3333
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
  int sockfd; 
  char buffer[1024]; 
  struct sockaddr_in server_addr; 
  struct hostent *host; 
 
        /* 使用hostname查询host 名字 */
  if(argc!=2) 
  { 
    fprintf(stderr,"Usage:%s hostname \a\n",argv[0]); 
    exit(1); 
  } 
 
  if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) 
  { 
    fprintf(stderr,"Gethostname error\n"); 
    exit(1); 
  } 
 
  /* 客户程序开始建立 sockfd描述符 */ 
  if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) // AF_INET:Internet;SOCK_STREAM:TCP
  { 
    fprintf(stderr,"Socket Error:%s\a\n",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  /* 客户程序填充服务端的资料 */ 
  bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化,置0
  server_addr.sin_family=AF_INET;          // IPV4
  server_addr.sin_port=htons(portnumber);  // (将本机器上的short数据转化为网络上的short数据)端口号
  server_addr.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr); // IP地址
  
  /* 客户程序发起连接请求 */ 
  if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1) 
  { 
    fprintf(stderr,"Connect Error:%s\a\n",strerror(errno)); 
    exit(1); 
  } 
 
  /* 连接成功了 */ 
  printf("Please input char:\n");
  
  /* 发送数据 */
  fgets(buffer,1024,stdin); 
  write(sockfd,buffer,strlen(buffer)); 
 
  /* 结束通讯 */ 
  close(sockfd); 
  exit(0); 
}