C语言实现网络通信

TCP协议与UDP协议

相同点：都是传输层协议

不同点：TCP是一种面向连接的传输层协议，它能提供高可靠性的通信（数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达的通信）

​ 适用情况：适合于对传输质量要求较高，以及传输大量数据的通信。在需要可靠数据传输的场合，通常使用TCP协议。
​ 如：MSN/QQ等即时通讯软件的用户登录账户管理相关的功能通常采用TCP协议。

​ UDP协议：用户数据报协议，是不可靠的无连接的协议。在数据发送前，因为不需要进行连接，所以可以进行高效率的数据传输。

​ 适用情况：发送小尺寸数据（如对DNS服务器进行IP地址查询时）在接收到数据，给出应答较困难的网络中使用 UDP。（如：无线网络）适合于广播/组播式通信中，通常使用TCP协议。
如：MSN/QQ等即时通讯软件的点对点文本通讯以及音视频通讯通常采用UDP协议；流媒体、VOD、VoIP等网络多媒体服务中通常采用UDP方式进行实时数据传输。

主机字节序和网络字节序

主机字节序列分为大端字节序和小端字节序，不同的主机采用的字节序列可能不同。大端字节序是指一个整数的高位字节存储在内存的低地址处，低位字节存储在内存的高地址处。小端字节序则是指整数的高位字节存储在内存的高地址处，而低位字节则存储在内存的低地址处。 在两台使用不同字节序的主机之间传递数据时，可能会出现冲突。所以，在将数据发送到网络时规定整形数据使用大端字节序，所以也把大端字节序成为网络字节序列。对方接收到数据后，可以根据自己的字节序进行转换。

大端:手机,网络

套接字通信过程中操作的数据都是大端存储的，包括：接收/发送的数据、IP地址、端口。

小端:电脑

我们使用的 PC 机，数据的存储默认使用的是小端

2315b9b94cb04bdbb0b1f3e1011411b6.png

a7fc138583c74eca993a9b56d32018a7.png

Linux 系统提供如下 4 个函数来完成主机字节序和网络字节序之间的转换：

主机字节序列:大端/小端

网络字节序列:大端

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
#include <netinet/in.h> 
 
本地->网络ip
uint32_t htonl(uint32_t hostlong); // 长整型的主机字节序转网络字节序 
网络->本地ip
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); // 长整型的网络字节序转主机字节序 
本地-网络port
uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 短整形的主机字节序转网络字节序 
网络->本地port
uint16_t ntohs(uint16_t netshort); // 短整型的网络字节序转主机字节序

IP地址转换函数

虽然 IP 地址本质是一个整形数 ，但是在使用的过程中都是通过一个字符串来描述，下面的函数描述了如何将一个字符串类型的 IP 地址进行大小端转换：

1
2
3
// 主机字节序的IP地址转换为网络字节序
// 主机字节序的IP地址是字符串, 网络字节序IP地址是整形
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

参数:

af: 地址族 (IP 地址的家族包括 ipv4 和 ipv6) 协议

AF_INET: ipv4 格式的 ip 地址

AF_INET6: ipv6 格式的 ip 地址

src: 传入参数，对应要转换的点分十进制的 ip 地址: 192.168.1.100

dst: 传出参数，函数调用完成，转换得到的大端整形 IP 被写入到这块内存中

返回值：成功返回 1，失败返回 0 或者 - 1

1
2
3
#include <arpa/inet.h>
// 将大端的整形数, 转换为小端的点分十进制的IP地址        
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

参数:

af: 地址族协议

AF_INET: ipv4 格式的 ip 地址

AF_INET6: ipv6 格式的 ip 地址

src: 传入参数，这个指针指向的内存中存储了大端的整形 IP 地址

dst: 传出参数，存储转换得到的小端的点分十进制的 IP 地址

size: 修饰 dst 参数的，标记 dst 指向的内存中最多可以存储多少个字节

返回值:

成功：指针指向第三个参数对应的内存地址，通过返回值也可以直接取出转换得到的 IP 字符串 失败: NULL

注意：

下面两个函数只能用于ipv4

通常，人们习惯用点分十进制字符串表示 IPV4 地址，但编程中我们需要先把它们转化为整数方能使用，下面函数可用于点分十进制字符串表示的 IPV4 地址和网络字节序

整数表示的 IPV4 地址之间的转换：

1
2
3
4
5
#include <arpa/inet.h> 
 
in_addr_t inet_addr(const char *cp); //字符串表示的 IPV4 地址转化为网络字节序 
 
char* inet_ntoa(struct in_addr in); // IPV4 地址的网络字节序转化为字符串表示

套接字地址结构

通用socket地址结构

socket网络编程接口中表示 socket 地址的是结构体 sockaddr，其定义如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
#include <bits/socket.h> 
 
struct sockaddr 
 
{
 
	sa_family_t sa_family;//协议族 
 
	char sa_data[14];//数据,没有给出IP地址,就是给了这么一块儿空间,起了一个占位的作用. 
 
};

sa_family 成员是地址族类型（sa_family_t） 的变量。地址族类型通常与协议族类型

对应。常见的协议族和对应的地址族如下图所示：

image-20230309084358250

专用socket地址结构

TCP/IP 协议族有 sockaddr_in 和 sockaddr_in6 两个专用 socket 地址结构体，它们

分别用于 IPV4 和 IPV6：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
//sin_family: 地址族 AF_INET 
 
//sin_port: 端口号，需要用网络字节序表示 
 
//sin_addr: IPV4 地址结构： s_addr 以网络字节序表示 IPV4 地址 
 
struct in_addr 
 
{
	u_int32_t  s_addr;//无符号的32位的整型,存放IP地址; 
};
 
//tcp协议族 
 
struct sockaddr_in 
 
{
 
	sa_family_t sin_family;//地址族,就是sin_family: 地址族 AF_INET 
 
	u_int16_t sin_port;//端口,16位的端口 
 
	struct in_addr sin_addr;//一个结构体,只有一个成员,是无符号的32位的整型, 
 
	存放IP地址;(IPV4的地址就是32位) 
 
	//其实后面还有占位的,只是我们不用它,所以就没有写; 
 
};
 
//tcp协议族就主要有三个:地址族,端口号,IP地址 
 
//IP协议族 
 
struct in6_addr 
 
{
 
unsigned char sa_addr[16]; // IPV6 地址，要用网络字节序表示 
 
};
 
struct sockaddr_in6 
{ 
 
	sa_family_t sin6_family; // 地址族： AF_INET6 
 
	u_inet16_t sin6_port; // 端口号：用网络字节序表示 
 
	u_int32_t sin6_flowinfo; // 流信息，应设置为 0 
 
	struct in6_addr sin6_addr; // IPV6 地址结构体 
 
	u_int32_t sin6_scope_id; // scope ID，尚处于试验阶段 
 
};

TCP网络编程流程

服务器端:

  1. 创建套接字socket（）
  2. 填充服务器的网络信息结构体
  3. 绑定服务器的套接字和网络信息结构体bind（）
  4. 将服务器的套接字设置成被动监听状态listen（）
  5. 阻塞等待客户端的连接accept（）
  6. 收发数据–read/write
  7. 关闭套接字close（）

客户端：

  1. 创建套接字socket（）
  2. 填充服务器的网络信息结构体
  3. 与服务器建立连接connect（）
  4. 收发数据–read/wirte
  5. 关闭套接字close（）

image-20230307220110487

tcp服务端客户端编程函数详解

socket()

socket函数是用来创建一个套接字，有了套接字就可以通过网络进行数据的收发。这也是为什么进行网络通信的程序首先要创建一个套接字。创建套机子时要指定使用的服务类型，使用TCP协议选择流式服务(SOCK_STREAM)。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

int socket(int domain, int type, int protocol); 
 
//socket()创建套接字，成功返回套接字的文件描述符，失败返回-1 
 
//domain: 设置套接字的协议簇， AF_UNIX AF_INET AF_INET6 
 
//type: 设置套接字的服务类型 流服务SOCK_STREAM(tcp)  数据报服务SOCK_DGRAM(udp) 
 
// protocol: 一般设置为 0，表示使用默认协议

bind()

bind()方法是用来指定套接字使用的 IP 地址和端口。 IP 地址就是自己主机的地址，如果主机没有接入网络，测试程序时可以使用回环地址“127.0.0.1”。端口是一个 16位的整形值，一般 0-1024 为知名端口，如 HTTP 使用的 80 号端口。这类端口一般用户不能随便使用。其次， 1024-4096 为保留端口， 用户一般也不使用。 4096 以上为临时端口，用户可以使用。在Linux 上， 1024 以内的端口号，只有 root 用户可以使用。\

1
2
3
4
5
6
7
8
9
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); 
 
//bind()将 sockfd 与一个 socket 地址绑定，成功返回 0，失败返回-1 
 
//sockfd 是网络套接字描述符,(命名套接字,就是上面的函数的返回值作为了我们的参数 sockfd) 
 
//addr 是地址结构 
 
//addrlen 是 socket 地址的长度

listen()

listen()方法是用来创建监听队列。 监听队列有两种，一个是存放未完成三次握手的连接，一种是存放已完成三次握手的连接。 listen()第二个参数就是指定已完成三次握手队列的长度。

1
2
3
4
5
6
7
8

int listen(int sockfd, int backlog); 
 
//listen()创建一个监听队列以存储待处理的客户连接，成功返回 0，失败返回-1 
 
//sockfd 是被监听的 socket 套接字 
 
//backlog 表示处于完全连接状态的 socket 的上限

accept()

accept()处理存放在 listen 创建的已完成三次握手的队列中的连接。每处理一个连接，则accept()返回该连接对应的套接字描述符。如果该队列为空，则 accept 阻塞。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); 
 
//accept()从 listen 监听队列中接收一个连接，成功返回一个新的连接 socket， 
 
//该 socket 唯一地标识了被接收的这个连接，失败返回-1 
 
//sockfd 是执行过 listen 系统调用的监听 socket 
 
//addr 参数用来获取被接受连接的远端 socket 地址 
 
//addrlen 指定该 socket 地址的长度

connect()

connect()方法一般由客户端程序执行，需要指定连接的服务器端的 IP 地址和端口。该方法执行后，会进行三次握手， 建立连接。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen); 
 
//connect()客户端需要通过此系统调用来主动与服务器建立连接， 
 
//成功返回 0，失败返回-1 
 
//sockfd 参数是由 socket()返回的一个 socket。 
 
//serv_addr 是服务器监听的 socket 地址 
 
//addrlen 则指定这个地址的长度

send()

send()方法用来向 TCP 连接的对端发送数据。 send()执行成功，只能说明将数据成功写入到发送端的发送缓冲区中，并不能说明数据已经发送到了对端。 send()的返回值为实际写入到发送缓冲区中的数据长度。

recv()

recv()方法用来接收 TCP 连接的对端发送来的数据。 recv()从本端的接收缓冲区中读取数据，如果接收缓冲区中没有数据，则 recv()方法会阻塞。返回值是实际读到的字节数，如果recv()返回值为 0， 说明对方已经关闭了 TCP 连接。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31

ssize_t recv(int sockfd, void *buff, size_t len, int flags); 
 
 
ssize_t send(int sockfd, const void *buff, size_t len, int flags); 
 
//TCP 数据读写： 
 
//recv()读取 sockfd 上的数据， buff 和 len 参数分别指定读缓冲区的位置和大小 
 
//send()往 socket 上写入数据， buff 和 len 参数分别指定写缓冲区的位置和数据长度
 
//flags 参数为数据收发提供了额外的控制 
 
UDP 数据读写： 
 
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buff, size_t len, int flags, struct sockaddr* src_addr, socklen_t *addrlen); 
 
ssize_t sendto(int sockfd, void *buff, size_t len, int flags, struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen);
 
//recvfrom()读取 sockfd 上的数据， buff 和 len 参数分别指定读缓冲区的位置和大小 
 
//src_addr 记录发送端的 socket 地址 
 
//addrlen 指定该地址的长度 
 
//sendto()往 socket 上写入数据， buff 和 len 参数分别指定写缓冲区的位置和数据长度 
 
//dest_addr 指定接收数据端的 socket 地址 
 
//addrlen 指定该地址的长度

close()

close()方法用来关闭 TCP 连接。此时，会进行四次挥手。

1
2
3
4

int close(int sockfd); 
 
//close()关闭一个连接，实际上就是关闭该连接对应的 socket