【Linux后端服务器开发】socket套接字-Toy模板网

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一、socket 套接字概述

二、socket 函数接口

三、IP地址与端口号的网络格式

四、TCP协议的本地通信C语言示例

一、socket 套接字概述

socket 是什么？

socket 本质上是一个抽象的概念，它是一组用于网络通信的 API，提供了一种统一的接口，使得应用程序可以通过网络进行通信。在不同的操作系统中，socket 的实现方式可能不同，但它们都遵循相同的规范和协议，可以实现跨平台的网络通信。

socket 实现通信的原理是基于网络协议栈。
当应用程序创建一个 socket 并指定协议族、类型和使用的协议后，操作系统会创建一个对应的套接字，并把它加入到协议栈中。
协议栈是一个由多个层次协议组成的网络协议体系结构，它负责对数据进行封装和解封装，并确保数据能够在网络上正确传输。

当应用程序通过 socket 发送数据时，操作系统会将数据传递给协议栈的上层协议，该协议会对数据进行封装并添加一些必要的信息，例如目标 IP地址和端口号等。然后将封装后的数据传递给下一层协议，直到数据最终被封装成一个网络包并通过网络发送到目标主机。

当目标主机收到网络包后，协议栈会对数据进行解封装，并将数据传递给操作系统中的套接字。如果该套接字是一个监听套接字，操作系统会创建一个新的套接字来处理连接请求，并将新的套接字加入到协议栈中。如果该套接字是一个已连接套接字，操作系统会将数据传递给应用程序处理。

总之，socket 实现通信的原理是基于网络协议栈，通过将数据封装成网络包并通过网络传输，实现了应用程序之间的通信。操作系统负责管理套接字和协议栈，确保数据能够正确传输。

在Linux中，socket是一种文件类型，伪文件，不占用存储空间，可进行IO操作，可间接看做文件描述符使用。

socket 通信流程图：

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客户端与服务器工作的核心逻辑：

在客户端向服务器发送请求之前，服务器必须已经初始化完成。
客户端和服务器的初始化，都需要创建套接字socket，设置IP地址结构体信息。
服务端在设置完IP地址结构体信息之后，需要bind绑定套接字，通过listen将socket设置为监听状态。
客户端通过connect向服务端发送连接请求，服务端通过accept接收客户端的连接请求，接收成功后获取新的套接字文件描述符。（TCP三次握手）
客户端发送数据——向文件描述符写入数据write，服务端接收数据——从文件描述符读出数据read，服务端回射数据write，客户端获取回射数据read。
客户端或服务端发送通信结束信号，close文件描述符，结束通信。（TCP四次挥手）

二、socket 函数接口

socket()：创建套接字，返回一个可操作性的文件描述符

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

参数一：表示ip地址类型，常用的有两种

其中AF_INET表示IPv4地址，比如127.0.0.1，这是一个本地 ip

其中AF_INET6表示IPv6地址，比如2001:3CA1:10F:1A:121B:0:0:10

参数二：表示数据传输方式/套接字类型，常见两种

SOCK_DGRAM （数据报套接字/无连接的套接字，UDP）

SOCK_STREAM（流格式套接字/面向连接的套接字，TCP）

参数三：表示传输协议

理论上前两个参数已经可以推演出采用哪种协议，可以将protocol 的值设为 0，系统自动推演出采用哪种协议

返回值：返回一个套接字（文件描述符fd）

bind()：用于服务器，给sockfd套接字绑上本机地址和使用端口，确定了服务器的身份

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

参数一：套接字的fd（文件描述符），socket（）函数的返回值

参数二：结构体 ip+port（端口）

参数三：结构体的字节长度

返回值：判断绑定成功失败

listen()：用于服务器，使socket处于监听模式，监听时候有客户端连接，并放入队列（同时设置与服务器建立连接的上限）

int listen(int sockfd, int backlog);

参数一：bind绑定ip和端口的套接字

参数二：请求链接客户端队列的最大存放数目

返回值：判断监听成功失败

accept()：用于服务器，接收一个客户端的连接请求，并返回连接客户端的套接字便于IO操作，如果没有客户连接会阻塞等待

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

参数一：服务器的套接字（也叫监听套接字），表明了自己的身份

参数二：传出参数，跟我建立连接的客户端的结构体（内含客户端ip+端口）

参数三：结构体长度的指针 &sizeof()

返回值：连接客户端的套接字

connect()：用于客户端，向远端服务器发送连接请求

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

参数一：传入参数，客户端对服务器进行IO操作的文件描述符

参数二：绑定需要连接的服务器的结构体（需要初始化绑上ip和端口），表明目的

参数三：结构体的长度

三、IP地址与端口号的网络格式

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IP地址：

IP一般由32位整数组成，按每8位划分为4部分：255.255.255.255 该显示方式为字符串形式，而IP一般是以整数形式显示。
整数IP地址 unsigned int IP_Addr = 1713350848 转化为二进制为：01100110-00011111-10101000-11000000 根据8位划分得到结果为102-31-168-192，由于网络字节倒序的问题，实际IP为192.168.31.102
在网络通信中，我们输入的是字符串风格的IP地址字符串，这时需要我们将IP地址字符串转换成 uint32_t 的类型进行网络通信，建议直接用库函数 inet_addr(const char* ip) 进行转换。
对于服务器而言，bind绑定套接字的时候，IP地址可用 htonl(INADDR_ANY) 进行任意地址绑定。

// 整数风格 uint32_t 转 字符串风格 ip：
// uint32_t ip;
// struct _ip {
//     unsigned char p1;
//     unsigned char p2;
//     unsigned char p3;
//     unsigned char p4;
// };
// std::string strip = to_string(((struct _ip*)&ip)->p1) + to_string(((struct _ip*)&ip)->p2) +
//                     to_string(((struct _ip*)&ip)->p3) + to_string(((struct _ip*)&ip)->p4);
//
// 字符串风格 转 整数风格：
// 整数风格的ip地址存储方式，占用空间更小，网络通信都使用 uint32_t 的ip格式
// 系统提供的转换方式：inet_addr(const char* ip)
// 任意地址绑定：htonl(INADDR_ANY)

端口号port：

端口号port的数据类型是uint16_t，但是在网络通信中的类型是in_port_t，这其实是uint16_t的重命名，但我们还是需要将port端口号从主机格式转换为网络格式。
通过 htons(port) 将端口号信息绑定到 struct sockaddr_in 结构体中。

四、TCP协议的本地通信C语言示例

server.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>


int main(int args, char* argv[])
{
    if (args != 2)
    {
        printf("Usage：server port\n");
        exit(1);
    }
    uint16_t port = atoi(argv[1]);  // 启动server的时候指定端口号

    // 1. 创建套接字
    int s_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (s_socket < 0)
        exit(1);

    // 2. 绑定套接字
    struct sockaddr_in local;
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // Address to accept any incomint message ---> 任意地址绑定
    local.sin_port = htons(port);               // 主机转网络

    if (bind(s_socket, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
        exit(1);
    
    // 3. 监听
    if (listen(s_socket, 5) < 0)
        exit(1);

    // 4. 阻塞等待客户端的连接请求
    struct sockaddr_in peer;
    socklen_t peer_len = sizeof(peer);

    int new_sock = accept(s_socket, (struct sockaddr*)&peer, &peer_len);
    if (new_sock < 0)
        exit(1);

    // 5. 连接成功，面向字节流通信
    while (1)
    {
        char buf[1024];
        int data_len = read(new_sock, buf, sizeof(buf));
        if (data_len == 0)
            break;
        buf[data_len] = 0;
        printf("recv message: %s\n", buf);

        // 6. 发送回射信息（应答数据）
        char out_buf[1024];
        snprintf(out_buf, sizeof(out_buf), "已收到数据: %s\n", buf);
        write(new_sock, out_buf, sizeof(out_buf));
    }

    // 7. 结束连接
    close(s_socket);

    return 0;
}

client.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int args, char* argv[])
{
    if (args != 3)
    {
        printf("Usage: client server_ip server_port\n");
        exit(1);
    }
    char* s_ip = argv[1];
    uint16_t s_port = atoi(argv[2]);

    // 1. 创建套接字
    int c_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (c_socket < 0)
        exit(1);

    // client其实也需要bind绑定，不过这一步不需显式绑定（由OS随机指定）

    // 2. 发送连接请求
    struct sockaddr_in server;
    socklen_t s_len = sizeof(server);
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(s_ip);
    server.sin_port = htons(s_port);

    if (connect(c_socket, (struct sockaddr*)&server, s_len) != 0)
    {
        printf("connect fail\n");
        exit(1);
    }
    
    // 3. 建立连接成功，面向字节流通信
    while (1)
    {
        char buf[1024];
        printf("Enter: ");
        gets(buf);
        write(c_socket, buf, sizeof(buf));

        // 4. 获取服务器的应答数据
        char recv_buf[1024];
        int data_len = read(c_socket, recv_buf, sizeof(recv_buf));
        if (data_len == 0)
            break;
        recv_buf[data_len] = 0;
        printf("%s", recv_buf);
    }

    // 5. 结束通信
    close(c_socket);

    return 0;
}

先启动服务器，再启动客户端，运行结果：

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