linux网络编程

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2024-06-11 2024-06-11 约 2257 字预计阅读 5 分钟

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系列 - linux开发

网络编程

网络编程是指编写运行在多个网络节点上的程序，实现网络通信的程序。
网络编程的目的是实现网络通信，网络通信需要通过网络协议进行数据交换。
网络编程的实现需要考虑网络通信的效率、可靠性、安全性等问题。

osi七层模型 tcp/ip协议

osi七层模型

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上述OSI的七层网络模型是一种理想模型，在实际应用中效率较低，在实际应用中主要使用TCP/IP四层协议栈：

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TCP/IP 四层模型是现行普适的网络层次模型。由顶层到底层是：

应用层：包含 OSI 模型中的最顶部三层，加密、压缩、编码、会话、语义等等功能统统是应用程序 APP 所辖范畴。应用程序 APP 可以很简单，也可以很复杂。
传输层（位与操作系统内核）：与 OSI 模型对应，负责传输控制。
网络层（位与操作系统内核）：与 OSI 模型对应，负责路由选择。
网络接口与物理层（位与操作系统内核）：这包括实际数据传输的物理媒介，及其对应的驱动层软件。

网络协议

网络协议是通信计算机双方必须共同遵从的一组约定。
网络协议包括：通信协议、数据协议、传输协议、网络管理协议、安全协议等。
网络协议是通信计算机双方必须共同遵守的规则，包括：
1. 起始与终止
2. 传输控制
3. 传输协议
4. 错误处理
5. 流量控制
6. 数据处理

数据包在网络中传输时，发送方逐层对数据包进行对应协议的封装，这个过程类似于寄包裹的时候往包裹上贴标签。而接收方执行相反的过程，接收方拆包裹并读取对应协议信息（一般称为协议头）。

层次	协议
应用层	HTTP, HTTPS, FTP, SMTP, SNMP, DNS, TFTP, …
传输层	TCP, UDP, …
网络层	IP, ICMP, ARP, RARP, …
数据链路层	SLIP, CSLIP, PPP, …

套接字 Socket

套接字（socket）是网络通信中进程间进行双向通信的端点。
套接字是通信的基石，是支持 TCP/IP 协议的网络通信的基本操作单元。
它允许位于不同计算机上的进程进行双向通信。
套接字是支持 TCP/IP 协议的网络通信的基本操作单元，也是支持各种应用层协议的网络通信的基本操作单元，因此套接字也称为“网络套接字”。

IP地址

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。
互联网上的主机和路由器使用IP地址进行通信。
IP地址的格式：IP地址通常被写成“点分十进制”的形式，例如：192.168.0.1。
点分十进制形式中，每个点之间的数字代表该IP地址的子网掩码。

子网属性

子网掩码：子网掩码用来屏蔽IP地址的“网络部分”，从而得到该IP地址的“主机部分”。
子网掩码是一个32位的二进制数，它由连续的1和连续的0组成。
子网掩码的格式为“点分十进制”形式，例如：255.255.255.0。

IP地址与子网掩码相与之后的结果被称为网段：

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网段 = IP & 子网掩码

上述例子中，子网掩码是 255.255.255.0，因此网段就是 192.168.9.x，局域网内通信的主机应该都要处于同一网段内，否则数据无法被该网段所属的网关（192.168.9.1）路由转发。

在很多场合下，子网掩码会以比特位的形式跟IP地址写在一起，例如上述子网属性可以写成：

1

192.168.9.88/24

后面的 /24 代表该IP地址所在的网段是前24比特位，也就是说子网掩码是 255.255.255.0

端口号

IP 地址可以唯一标识一台计算机，但通信的双方并不是两台计算机，而是计算机内部的进程。很明显，为了区分一台主机接收到的数据包应该转交给哪个进程来进行处理，使用端口号来加以区分。

端口号是一个短整型数据，长度为16位。具体分布：

系统端口：1~1023
注册端口：1024~49150
动态或私有端口：49151~65535（这是平常做实验可用的端口号范围）

TCP/UDP常见端口

字节序

当一个数据需要使用2个或以上字节来存储时，就会出现所谓字节序的概念。例如一个四字节数据，既可以将低有效位（78）放在低地址处，反之亦可放在高地址处。

1

int a = 0x12345678;

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通常，将最低有效位（即78）放在低地址的存储方式称为小端序，反之即大端序。在单机编程中，字节序是系统内部的存储细节，与程序无关。但在网络编程中，由于数据是在两台不同的机器中传输和表达，因此如果字节序不一致，则会出现牛头不对马嘴的现象。

解决这一困境的办法是，将网络中的数据，统一为某种固定的字节序，比如大端序。这样一来，凡是从主机往外发的数据，一律转换为大端序，凡是从网络接收的数据，也一律是大端序，网络字节序屏蔽了通信双方的具体细节，从而使得双方通信成为可能。

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linux socket编程

客户端

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

#define HOST "127.0.0.1"
#define PORT 8080

int main() {
    // 新建socket 文件
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
    perror("socket");
        exit(-1);
    }

    // 设置服务器地址
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;                      // 设置为IPv4
    server_addr.sin_port = htons(PORT);                    // 转换为大端序
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(HOST);  // 设置为本地地址

    // 连接服务器
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connect fail");
        exit(-1);
    }

    // 发送数据
    char msg[1024];
    while (1) {
        printf("请输入要发送的消息：\n");
        scanf("%s", msg);
        send(sockfd, msg, sizeof(msg), 0);
    }
}

服务端

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#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdlib.h>
#include "threadpool.h"

#define MIN_THREADS 10
#define MAX_THREADS 128
#define HOST "127.0.0.1"
#define PORT 8080

void *socket_routine(void *arg) {
    int client_fd = *(int *)arg;

    // 接收客户端数据
    char buf[1024];
    while (1) {
        ssize_t recv_len = recv(client_fd, buf, sizeof(buf), 0);
        if (recv_len < 0) {
            perror("recv failed");
            close(client_fd);
            return NULL;
        }
        printf("Received message: %s\n", buf);
    }
}

int main() {
    // 创建socket 文件
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("create socket failed");
        exit(-1);
    }

    // 设置服务器地址
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    // 绑定socket 文件到服务器地址
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind addr failed");
        exit(-1);
    }

    // 监听socket 文件
    if (listen(sockfd, 10) < 0) {
        perror("socket listen failed");
        exit(-1);
    }

    // 接受客户端连接
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);

    // 创建线程池
    ThreadPool_t *pool = threadpool_init(MIN_THREADS, MAX_THREADS);
    while (1) {
        int client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
        if (client_fd < 0) {
            perror("accept error");
            close(sockfd);
            exit(-1);
        }
        threadpool_add_task(pool, socket_routine, &client_fd);
    }

    // 关闭socket 文件
    close(sockfd);
    return 0;
}

目录