socket套接字詳解（TCP與UDP）

   學習LInux，網路程式設計套接字是基礎，也是新手學習的困難點，透過這篇文章，讀者可以透過圖解、作者的程式碼實現思路全面理解IP位址、連接埠號碼、TCP、UDP概念、socket API用法、模擬客戶端/伺服器通訊等。

• #Mark：閱讀blog 程式碼實作耗時18分鐘<br>

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文章重點：

• IP位址、連接埠號碼…

• #socket API

• 實作UDP客戶端/伺服器

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• 套接字是網路程式設計中的一種通訊機制，是支援TCP/IP的網路通訊的基本操作單元，可以看做是不同主機之間的進程進行雙向通訊的端點，簡單的說就是通訊的兩方的一種約定，用套接字中的相關函數來完成通訊過程。

前面介紹過，本地的進程間通訊（IPC）有很多種方式，常見的總結以下幾點：

 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）。

認識網路層通訊過程：

初識IP：

（IP就是：Internet協定IP）

在通訊時，IP有源IP和目的IP之分，

對比寄快遞：網路通訊相當於收發快遞，IP就是收件/寄件者地址，光知道地址還不行，還要知道派送人是誰？這就比較於網路中的連接埠號碼概念，連接埠號碼標識了一個進程，告訴作業系統，目前這個資料交給哪一個程式來解析。

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連接埠號：

連接埠號碼（port）是傳輸層協定的內容。

• 連接埠號碼是一個2位元組16位元的整數；

• 連接埠號碼用來識別一個進程，告訴作業系統，目前這個資料交給哪一個程式解析；

• IP位址連接埠號碼能標識網路上的某一主機的某一進程；

• 一個連接埠號碼只能被一個行程佔用。

連接埠號碼& 進程：

• 概念

進程有唯一的pid標識，連接埠號碼也能標識進程；

一個進程可以綁定多個連接埠號，一個連接埠號碼不能被多個進程綁定。

• 來源連接埠號碼& 目的連接埠號碼

#傳輸層協定（TCP/IP）的資料段中有兩個埠號，分別叫做來源埠號和目的埠號，就是在描述「資料是誰的？寄給誰？」

TCP：

（TCP）傳輸控制協議，面向連線。是一種提供可靠資料傳輸的通用協定。

• 傳輸層協定

• 有連接

• #可靠地傳輸

• #面向位元組流

UDP：

（UDP）使用者資料報協議，是一個面向無連線的協定。採用該協定不需要兩個應用程式先建立連線。 UDP協定不提供錯誤恢復，無法提供資料重傳，因此該協定傳輸資料安全性差。

• 傳輸層協定

• 無連線

• 不可靠地傳輸

• #面向資料封包

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網路位元組序列：

• #如何定義網路資料流的位址？

• 其實很容易理解這個問題，就是C語言中比較講究的大小端問題。

• 傳送機依記憶體位址從低到高順序傳送；#############接收主機依記憶體位址從低到高順序儲存；## ##########TCP/IP規定：網路資料流應採用大端位元組序，即###地位址高位元組###;########### #不論主機是大端機還是小端機，都必須遵循TCP/IP規定；############如果發送機是小端，就先將資料轉成大端再發送。 ###

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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