Detaillierte Erläuterung der Socket-Sockets (TCP und UDP)

Beim Erlernen von Linux sind Netzwerkprogrammierungs-Sockets die Grundlage und ein schwieriger Punkt für Anfänger. Durch diesen Artikel können Leser IP-Adressen, Portnummern, TCP-, UDP-Konzepte und Socket-APIs anhand von Abbildungen und dem Code des Autors vollständig verstehen Umsetzungsideen, simulierte Client/Server-Kommunikation usw.

• Mark: Es hat 18 Minuten gedauert, den Blog + die Code-Implementierung zu lesen
  

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Artikelfokus:

• IP-Adresse, Portnummer...

• Socket-API

• Implementieren von UDP Client/Server

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• Socket ist ein Kommunikationsmechanismus in der Netzwerkprogrammierung und die grundlegende Betriebseinheit der Netzwerkkommunikation, die TCP/IP unterstützt ist ein Endpunkt für die bidirektionale Kommunikation zwischen Prozessen auf verschiedenen Hosts. Einfach ausgedrückt handelt es sich um eine Vereinbarung zwischen den beiden kommunizierenden Parteien, und die relevanten Funktionen im Socket werden verwendet, um den Kommunikationsprozess abzuschließen.

Wie bereits erwähnt, gibt es viele Möglichkeiten der lokalen Interprozesskommunikation (IPC). Die häufigsten sind wie folgt zusammengefasst:

 1、管道（包括无名管道和命名管道）；
 2、消息队列；
 3、信号量；
 4、共享存储。
 5、……（ Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC）。

Verstehen Sie den Kommunikationsprozess auf Netzwerkebene:

Erste Einführung in IP:

(IP ist: Internet Protocol IP)

Bei der Kommunikation wird die IP in Quell-IP und Ziel-IP unterteilt. Vergleichen Sie die Expresszustellung: Die Netzwerkkommunikation ist gleichbedeutend mit dem Senden und Empfangen der Expresszustellung. Die bloße Kenntnis der Adresse reicht nicht aus , müssen Sie auch wissen, wer der Absender ist? Dies wird mit dem Konzept der Portnummern im Netzwerk verglichen. Die Portnummer identifiziert einen Prozess und teilt dem Betriebssystem mit, an welches Programm die aktuellen Daten zur Analyse übergeben werden.

Portnummer:

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Die Portnummer (Port) ist der Inhalt des Transportschichtprotokolls.

Die Portnummer ist eine 2-Byte-16-Bit-Ganzzahl;
Die Portnummer wird verwendet, um einen Prozess zu identifizieren und den Betrieb mitzuteilen System, das dem aktuellen Programm die Daten zur Analyse übergeben soll;
Die IP-Adresse + Portnummer kann einen Prozess eines bestimmten Hosts im Netzwerk identifizieren; >

• Eine Portnummer kann nur von einem Prozess belegt werden.

• Portnummer & Prozess:

Konzept

• Der Prozess ist einzigartig pid-Identifikation, Portnummern können auch Prozesse identifizieren;

Ein Prozess kann an mehrere Portnummern gebunden sein, aber eine Portnummer kann nicht an mehrere Prozesse gebunden sein.

Quellportnummer & Zielportnummer

• Das Datensegment des Transportschichtprotokolls (TCP/IP) enthält Die beiden Portnummern, Quellportnummer bzw. Zielportnummer genannt, beschreiben „Wessen Daten gehören dazu? An wen werden sie gesendet?“

TCP:

(TCP ) Übertragungskontrollprotokoll, verbindungsorientiert. Es handelt sich um ein allgemeines Protokoll, das eine zuverlässige Datenübertragung ermöglicht.

Transportschichtprotokoll

• Verbunden

• Zuverlässige Übertragung

• Byte-Stream-orientiert

• UDP:

(UDP) User Datagram Protocol ist ein verbindungslos orientiertes Protokoll. Für die Verwendung dieses Protokolls ist es nicht erforderlich, dass die beiden Anwendungen zuerst eine Verbindung herstellen. Das UDP-Protokoll bietet keine Fehlerbehebung und keine erneute Datenübertragung, sodass die Datenübertragungssicherheit dieses Protokolls schlecht ist.

Transportschichtprotokoll

• Keine Verbindung

• Unzuverlässige Übertragung

• Datagrammorientiert

• Netzwerk-Byte-Reihenfolge:

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So definieren Sie die Adresse des Netzwerkdatenflusses?

Tatsächlich ist dieses Problem leicht zu verstehen, bei dem es sich um ein spezielleres Endian-Problem in der C-Sprache handelt.

Der Sender sendet in der Reihenfolge der Speicheradresse von niedrig nach hoch;

• Der empfangende Host speichert in der Reihenfolge der Speicheradresse von niedrig nach hoch ;

• TCP/IP-Vorschriften: Der Netzwerkdatenfluss sollte in der Big-Endian-Byte-Reihenfolge erfolgen, d. h.

  High-Byte der Adresse
;

• Unabhängig davon, ob der Host Big-Endian oder Little-Endian ist, müssen die TCP/IP-Vorschriften befolgt werden.

• Wenn der Absender Little-Endian ist, müssen die Daten befolgt werden muss vor dem Senden in Big-Endian konvertiert werden.

socket API：

//创建socket文件描述符  (TCP/UDP,客户端+服务器)

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

参数1(domain): 选择创建的套接字所用的协议族； <br/> AF_INET ： IPv4协议； <br/> AF_INET6： IPv6协议； <br/> AF_LOCAL: Unix域协议； <br/> AF_ROUTE：路由套接口； <br/> AF_KEY ：密钥套接口。 <br/>参数2(type)：指定套接口类型，所选类型有： <br/> SOCK_STREAM：字节流套接字； <br/> SOCK_DGRAM : 数据报套接字; <br/> SOCK_RAW : 原始套接口。 <br/> procotol: 使用的特定协议，一般使用默认协议（NULL）。

//绑定端口号  （TCP/IP，服务器）
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

参数1(socket) : 是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号）。 <br/>参数2(address)：指向特定协议的地址指针。 <br/>参数3(address_len)：上面地址结构的长度。 <br/>返回值：没有错误，bind()返回0，否则SOCKET_ERROR。

//开始监听socket  (TCP,服务器）
int listen(int socket, int backlog);

参数1(sockfd)：是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号）。 <br/>参数2(backlog)：所监听的端口队列大小。

//接受请求  （TCP，服务器）
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);

参数1(socket) : 是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号）。 <br/>参数2(address)：指向特定协议的地址指针。 <br/>参数3(addrlen)：上面地址结构的长度。 <br/>返回值：没有错误，bind()返回0，否则SOCKET_ERROR。

//建立连接  （TCP，客户端）
int connect(int sockfd, const struct struct sockaddr *addr, aocklen_t addrlen);

//关闭套接字
int close(int fd);

参数(fd)：是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号）。

socket API是一层抽象的网络编程接口，适用于各种底层网络协议，如IPv4，IPv6，……

简单的TCP网络程序：

• TCP客户—服务器程序的执行流程图：

服务器代码：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
using namespace std;

#define SERVER_PORT  5050               //端口号
#define SERVER_IP    "192.168.3.254"    //服务器ip
#define QUEUE_SIZE   5                  //所监听端口队列大小

int main(int argc, char *argv[])
{
    //创建一个套接字，并检测是否创建成功
    int sockSer;                        
    sockSer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sockSer == -1){
        perror("socket");
    }

    //设置端口可以重用，可以多个客户端连接同一个端口，并检测是否设置成功
    int yes = 1;
    if(setsockopt(sockSer, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1){
        perror("setsockopt");
    }

    struct sockaddr_in addrSer,addrCli;        //创建一个记录地址信息的结构体
    addrSer.sin_family = AF_INET;              //所使用AF_INET协议族
    addrSer.sin_port = htons(SERVER_PORT);     //设置地址结构体中的端口号
    addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);   //设置其中的服务器ip

    //将套接字地址与所创建的套接字号联系起来。并检测是否绑定成功
    socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr);
    int res = bind(sockSer,(struct sockaddr*)&addrSer, addrlen);
    if(res == -1)
        perror("bind");

    listen(sockSer, QUEUE_SIZE);       //监听端口队列是否由连接请求，如果有就将该端口设置位可连接状态，等待服务器接收连接

    printf("Server Wait Client Accept......\n");
    //如果监听到有连接请求接受连接请求。并检测是否连接成功，成功返回0，否则返回-1
    int sockConn = accept(sockSer, (struct sockaddr*)&addrCli, &addrlen);
    if(sockConn == -1)
        perror("accept");
    else
    {
        printf("Server Accept Client OK.\n");
        printf("Client IP:> %s\n", inet_ntoa(addrCli.sin_addr));
        printf("Client Port:> %d\n",ntohs(addrCli.sin_port));
    }

    char sendbuf[256];         //申请一个发送缓存区
    char recvbuf[256];         //申请一个接收缓存区
    while(1)
    {
        printf("Ser:>");
        scanf("%s",sendbuf);
        if(strncmp(sendbuf,"quit",4) == 0)    //如果所要发送的数据为"quit"，则直接退出。
            break;
        send(sockConn, sendbuf, strlen(sendbuf)+1, 0);   //发送数据
        recv(sockConn, recvbuf, 256, 0);    //接收客户端发送的数据
        printf("Cli:> %s\n",recvbuf);
    }

    close(sockSer);         //关闭套接字
    return 0;
}

客户端代码：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
using namespace std;

#define SERVER_PORT  5050
#define SERVER_IP    "192.168.3.254"

int main(int argc, char *argv[])
{
    //创建客户端套接字号，并检测是否创建成功
    int sockCli;
    sockCli = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sockCli == -1)
        perror("socket");

    //创建一个地址信息结构体，并对其内容进行设置
    struct sockaddr_in addrSer;     
    addrSer.sin_family = AF_INET;         //使用AF_INET协议族
    addrSer.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //设置端口号
    addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);   //设置服务器ip

    bind(sockCli,(struct sockaddr*)&addrCli, sizeof(struct sockaddr));    //将套接字地址与所创建的套接字号联系起来

    //创建一个与服务器的连接，并检测连接是否成功
    socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr);
    int res = connect(sockCli,(struct sockaddr*)&addrSer, addrlen);
    if(res == -1)
        perror("connect");
    else
        printf("Client Connect Server OK.\n");

    char sendbuf[256];     //申请一个发送数据缓存区
    char recvbuf[256];     //申请一个接收数据缓存区
    while(1)
    {
        recv(sockCli, recvbuf, 256, 0);    //接收来自服务器的数据
        printf("Ser:> %s\n",recvbuf);
        printf("Cli:>");
        scanf("%s",sendbuf);
        if(strncmp(sendbuf,"quit", 4) == 0)    //如果客户端发送的数据为"quit"，则退出。
            break;
        send(sockCli, sendbuf, strlen(sendbuf)+1, 0);   //发送数据
    }
    close(sockCli);       //关闭套接字
    return 0;
}

简单的UDP网络程序：

• 相对与TCP来说，UDP安全性差，面向无链接。所以UDP地实现少了连接与接收连接的操作。所以在收发数据时就不能再用send()和recvfrom()了，而是用sendto()和recvto()之名从哪收发数据。

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

参数1(sockfd)：是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号） <br/>参数2(buf)：指向存有发送数据的缓冲区的指针 <br/>参数3(len)：缓冲区长度。 <br/> **参数4(flags)：**flags的值或为0，或为其他

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

参数1(sockfd)：是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号） <br/>参数2(buf)：指向存有接收数据的缓冲区的指针 <br/>参数3(len)：缓冲区长度 <br/> **参数4(flags)：**flags的值或为0，或为其他

服务器端代码：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>

int main()
{
    //创建一个套接字，并检测是否创建成功
    int sockSer = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockSer == -1)
        perror("socket");

    struct sockaddr_in addrSer;  //创建一个记录地址信息的结构体 
    addrSer.sin_family = AF_INET;    //使用AF_INET协议族 
    addrSer.sin_port = htons(5050);     //设置地址结构体中的端口号
    addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.3.169");  //设置通信ip

    //将套接字地址与所创建的套接字号联系起来，并检测是否绑定成功
    socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr);
    int res = bind(sockSer,(struct sockaddr*)&addrSer, addrlen);
    if(res == -1)
        perror("bind");

    char sendbuf[256];    //申请一个发送数据缓存区
    char recvbuf[256];    //申请一个接收数据缓存区
    struct sockaddr_in addrCli;
    while(1)
    {
        recvfrom(sockSer,recvbuf,256,0,(struct  sockaddr*)&addrCli, &addrlen);     //从指定地址接收客户端数据
        printf("Cli:>%s\n",recvbuf);

        printf("Ser:>");    
        scanf("%s",sendbuf);
        sendto(sockSer,sendbuf,strlen(sendbuf)+1,0,(struct sockaddr*)&addrCli, addrlen);    //向客户端发送数据
    }
    return 0;
}

客户端代码：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>

int main()
{
    //创建一个套接字，并检测是否创建成功
    int sockCli = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockCli == -1){
        perror("socket");
    }

    addrSer.sin_family = AF_INET;    //使用AF_INET协议族 
    addrSer.sin_port = htons(5050);     //设置地址结构体中的端口号
    addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.3.169");  //设置通信ip
    socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr);


    char sendbuf[256];    //申请一个发送数据缓存区
    char recvbuf[256];    //申请一个接收数据缓存区

    while(1){
        //向客户端发送数据
        printf("Cli:>");
        scanf("%s",sendbuf);
        sendto(sockCli, sendbuf, strlen(sendbuf)+1, 0, (struct sockaddr*)&addrSer, addrlen);   
        接收来自客户端的数据
        recvfrom(sockCli, recvbuf, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&addrSer, &addrlen);
        printf("Ser:>%s\n", recvbuf);

    }

    return 0;
}

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