Linux系统编程—网络编程

此文章为本人学习笔记，若有错误求指正，自学推荐书籍《Linux/UNIX系统编程手册》，需要该书籍pdf文档可无偿分享。

一、Linux网络编程概述

Linux网络编程是指在Linux操作系统上开发网络应用程序的过程。网络编程的核心是Socket编程，Socket是操作系统提供的用于网络通信的接口。

1. 网络通信模型

1.1 OSI 七层模型

网络通信通常基于OSI模型，该模型分为七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。在实际编程中，我们主要关注传输层及以上的内容。

1.2 TCP/IP 五层参考模型

五层体系的协议结构是综合了 OSI 和 TCP/IP 优点的一种协议，包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。其中应用层对应 OSI 的上三层，下四层和 OSI 相同。五层协议的体系结构只是为介绍网络原理而设计的，实际应用还是 TCP/IP 四层体系结构。

应用层：为特定应用程序提供数据传输服务。
传输层：为进程提供通用数据传输服务。
网络层：为主机提供数据传输服务。而传输层协议是为主机中的进程提供数据传输服务。
数据链路层：网络层针对的还是主机之间的数据传输服务，而主机之间可以有很多链路，链路层协议就是为同一链路的主机提供数据传输服务。
物理层：负责比特流在传输介质上的传播。

2. TCP/IP协议

TCP/IP协议是互联网的核心协议，其中传输层协议TCP和UDP是网络编程中最常用的协议。

2.1 TCP

提供可靠的、面向连接的服务。常用于文件传输、邮件传输等对数据完整性要求高的场景。

TCP建立连接的三次握手：
TCP协议中，在发送数据的准备阶段，客户端与服务器之间的三次交互，以保证连接的可靠。

Client首先向Server发送连接请求报文段，同步自己的seq(x)，Client进入SYN_SENT状态。
Server收到Client的连接请求报文段，返回给Client自己的seq(y)以及ack(x+1)，Server进入SYN_REVD状态。
Client收到Server的返回确认，再次向服务器发送确认报文段ack(y+1)，这个报文段已经可以携带数据了。Client进入ESTABLISHED状态。
Server再次收到Client的确认信息后，进入ESTABLISHED状态。

TCP断开连接的四次握手：

Client向Server发送断开连接请求的报文段，seq=m(m为Client最后一次向Server发送报文段的最后一个字节序号加1)，Client进入FIN-WAIT-1状态。
Server收到断开报文段后，向Client发送确认报文段，seq=n(n为Server最后一次向Client发送报文段的最后一个字节序号加1)，ack=m+1，Server进入CLOSE-WAIT状态。此时这个TCP连接处于半开半闭状态，Server发送数据的话，Client仍然可以接收到。
Server向Client发送断开确认报文段，seq=u(u为半开半闭状态下Server最后一次向Client发送报文段的最后一个字节序号加1)，ack=m+1，Server进入LAST-ACK状态。
Client收到Server的断开确认报文段后，向Server发送确认断开报文，seq=m+1，ack=u+1，Client进入TIME-WAIT状态。
Server收到Client的确认断开报文，进入CLOSED状态，断开了TCP连接。
Client在TIME-WAIT状态等待一段时间(时间为2*MSL((Maximum Segment Life))，确认Client向Server发送的最后一次断开确认到达(如果没有到达，Server会重发步骤(3)中的断开确认报文段给Client，告诉Client你的最后一次确认断开没有收到)。如果Client在TIME-WAIT过程中没有再次收到Server的报文段，就进入CLOSES状态。TCP连接至此断开

TCP：服务端和客户端的通信流程：

2.2 UDP

提供无连接的、不可靠的数据报服务。适用于对速度要求高，但对数据完整性要求不高的场景，如视频流、语音通信等。

二、Socket编程基础

Socket是网络编程的核心接口，用于建立和管理网络连接。

1.socket 编程流程

服务器

创建套接字（socket）
将socket与IP地址和端口绑定（bind）
监听被绑定的端口（listen）
接收连接请求（accept）
从socket中读取客户端发送来的信息（read）
向socket中写入信息（write）
关闭socket（close）

客户端

创建套接字（socket）
连接指定计算机的端口（connect）
向socket中写入信息（write）
从socket中读取服务端发送过来的消息（read）
关闭socket（close）

2. Socket相关函数

2.1 socket()函数 - 创建套接字

函数概述

socket()函数用于创建一个新的套接字，并返回套接字的文件描述符。如果套接字创建失败，函数将返回-1。

函数原型

int socket(int domain, int type, int protocol);

domain: 指定协议族，如AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6）。
type: 指定套接字类型，如SOCK_STREAM（TCP）或SOCK_DGRAM（UDP）。
protocol: 通常为0，表示自动选择合适的协议。

示例代码

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

if (sockfd == -1) {

    perror("socket creation failed");

    exit(EXIT_FAILURE);

}

2.2 bind()函数 - 绑定套接字

函数概述

bind()函数将套接字与特定的IP地址和端口绑定，使其能够接收发送到该地址和端口的数据。

函数原型

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

sockfd: 套接字的文件描述符。
addr: 指向sockaddr结构的指针，包含要绑定的地址和端口。
addrlen: addr结构的大小。

示例代码

struct sockaddr_in address;

address.sin_family = AF_INET;

address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

address.sin_port = htons(8080);



if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {

    perror("bind failed");

    exit(EXIT_FAILURE);

}

2.3 listen()函数 - 监听被绑定的端口

函数概述

listen()函数将套接字设置为监听模式，准备接收来自客户端的连接请求。

函数原型

int listen(int sockfd, int backlog);

sockfd: 套接字的文件描述符。
backlog: 内核中连接队列的最大长度。

示例代码

if (listen(sockfd, 3) < 0) {

    perror("listen");

    exit(EXIT_FAILURE);

}

2.4 accept()函数 - 接收连接请求

函数概述

accept()函数从监听套接字的连接队列中取出第一个连接请求，生成一个新的套接字用于与客户端通信。

函数原型

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

sockfd: 监听套接字的文件描述符。
addr: 客户端的地址结构指针，用于存储客户端信息。
addrlen: addr结构的大小。

示例代码

int new_socket;

struct sockaddr_in client_address;

socklen_t addrlen = sizeof(client_address);

new_socket = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_address, &addrlen);

if (new_socket < 0) {

    perror("accept");

    exit(EXIT_FAILURE);

}

2.5 connect()函数 - 发送连接请求

函数概述

connect()函数用于客户端与服务器建立连接，向指定的服务器地址和端口发送连接请求。

函数原型

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

sockfd: 套接字的文件描述符。
addr: 指向服务器sockaddr结构的指针。
addrlen: addr结构的大小。

5.3 示例代码

struct sockaddr_in serv_addr;

serv_addr.sin_family = AF_INET;

serv_addr.sin_port = htons(8080);



if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {

    perror("Invalid address/Address not supported");

    exit(EXIT_FAILURE);

}



if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {

    perror("Connection Failed");

    exit(EXIT_FAILURE);

}

2.6 send() 和 recv() 函数 - TCP发送、接收信息

函数概述

send()：将数据发送到已连接的套接字。

recv()：从已连接的套接字接收数据。

函数原型

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

sockfd: 套接字的文件描述符。
buf: 指向发送或接收数据的缓冲区。
len: 数据长度。
flags: 传输标志，通常为0。

6.3 示例代码

char *message = "Hello, Server";

send(sockfd, message, strlen(message), 0);



char buffer[1024] = {0};

recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);

printf("Message from server: %s\n", buffer);

2.7 sendto() 和 recvfrom() 函数 - UDP发送、接收消息

函数概述

sendto()：将数据发送到指定的地址（适用于UDP）。
recvfrom()：从指定的地址接收数据（适用于UDP）。

函数原型

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

dest_addr: 目标地址。
src_addr: 源地址。

示例代码

struct sockaddr_in server_addr;

server_addr.sin_family = AF_INET;

server_addr.sin_port = htons(8080);

server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;



char *message = "Hello, UDP Server";

sendto(sockfd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));



char buffer[1024] = {0};

struct sockaddr_in client_addr;

socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);

recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);

printf("Message from server: %s\n", buffer);

三. TCP Socket编程

以下是一个简单的TCP服务器和客户端的实现。

TCP服务器

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[1024] = {0};
    
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 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);
    }
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("Listen failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
        perror("Accept failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    read(new_socket, buffer, 1024);
    printf("Message: %s\n", buffer);
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

TCP客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char *hello = "Hello from client";
    char buffer[1024] = {0};
    
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        printf("\n Socket creation error \n");
        return -1;
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(8080);
    
    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        printf("\nInvalid address/ Address not supported \n");
        return -1;
    }

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        printf("\nConnection Failed \n");
        return -1;
    }
    send(sock, hello, strlen(hello), 0);
    printf("Hello message sent\n");
    read(sock, buffer, 1024);
    printf("Message: %s\n", buffer);
    close(sock);
    return 0;
}