第十六章：网络IPC 套接字

一、IP地址和端口

套接字接口可以用于计算机间通信。目前计算机间使用套接字通讯需要保证处于同一网段。

为了查看是否处于同一网段，我们可以使用IP地址判断。

IP地址是计算机在网络中的唯一标识。IP地址本质是个整数，它与网卡的物理地址（MAC地址）绑定。MAC地址在网卡出厂时都确保唯一，不需要我们关心。

IP地址有IPv4和IPv6之分，IPv4是32位整数，IPv6是128位整数。现在使用的一般是IPv4。

为了便于记忆，IPv4地址的每个字节转换为一个整数（8位整数，0到255），各个整数之间使用“.”隔开，这种方式叫点分十进制。如192.168.7.5。

人类使用的是点分十进制，计算机底层存储的是整数格式（十六进制）。这两种表示方法在编程时需要互相转换。

当我们上网时输入网址如baidu.com，这个baidu.com域名是IP地址的助记符。域名需要转换成IP地址才能找到计算机，这个工作由域名解析服务器完成。

在Linux中，我们可以使用ifconfig查看当前计算机的IP地址

上图中IPv4为127.0.0.1的lo为本地回环，简单点说就是用于本机通讯。

可以看到我的系统的IPv4地址为7.7.7.5，若有和我处于一个网络电脑的IPv4地址为7.7.7.3。我们需要使用位与判断这两个IP地址是否处于同一网段。

首先把7.7.7.5位与Mask（255.0.0.0），得到7.0.0.0；

之后把7.7.7.3位与Mask（255.0.0.0），得到7.0.0.0。

可以发现结果一致，表示两IP处于同一网段。

但是IP地址只能定位计算机，不能定位计算机中的进程。为解决此问题，系统提供了端口。

端口用于计算机对外管理进程。因此网络编程需要提供IP地址和端口号。

端口的本质是一个unsigned short（0到65535），代表了计算机中的每一个进程。这些进程中，有些端口已经被占用，编程中需要使用未被占用的端口。

0 到 1023：系统预先占用部分，最好别用

1024 到 48000：可以使用，但有个别端口被其它程序占用

48000 到 65535：系统可能会随时使用某一个，不稳定

二、字节顺序

有了IP和端口后，传输的源头和目的地就有了，此时还需要数据和数据格式。

在网络中，数据格式并不是确定的，因此我们在发送或接受数据时，需要把本机格式转换网络格式或把网络格式还原本机格式。

IP本机格式转换网络格式使用函数为inet_addr()，如：inet_addr("7.7.7.5");

IP网络格式转换本机格式使用函数为inet_ntoa()，如：inet_ntoa(sockaddr.sin_addr);

端口本机格式转换网络格式使用函数为htons()，如：htons(8888);

三、套接字的编程步骤

网络编程需要考率两个方面：服务器端和客户端。

服务器端的编程步骤：

1. 调用socket()函数，创建一个socket描述符，它和fd使用方法一致

2. 配置struct sockaddr_in或struct sockaddr_un，准备进行数据交互

3. 调用bind()函数，绑定通信地址和socket描述符

4. 调用read()、write()，读写socket描述符

5. 调用close()函数，关闭socket描述符

客户端的编程步骤：

除了服务器端步骤3的bind()换成connect()以外，其它步骤和服务器端一样，并且connect()和bind()用法完全一样。

套接字类函数和结构体定义如下：

1. 创建socket描述符

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

/* 创建socket描述符 */
int socket(int domain, int type, int protocol);

---

函数参数以及返回值：

domain：选择协议，有以下宏：

AF_UNIX/AF_LOCAL/AF_FILE：本地通信

AF_INET：网络通信IPv4

AF_INET6：网络通信IPv6

type：通信类型，有以下宏：

SOCK_STREAM：数据流，用于TCP（有数据回传机制，可以判断是否发送成功）

SOCK_DGRAM：数据报，用于UDP（没有数据回传机制）

返回值：成功返回socket描述符；出错返回-1。

---

2. 配置struct sockaddr_in或struct sockaddr_un

其实通信使用的结构体是sockaddr。它是sockaddr_in和sockaddr_un的一般化，sockaddr_in和sockaddr_un做参数时必须转化为sockaddr。

在代码中，sockaddr_in负责网络通信；sockaddr_un负责本地通信。

其中sockaddr_un结构体定义如下：

#include <sys/un.h>

struct sockaddr_un
{
    int sun_family;     // 用于指定协议，和socket()的第一个参数保持一致
    char sun_path[];    // 存socket文件名（做交互媒介）
    // 注意，数组不能直接用=赋值
};

/* 示例 */
struct sockaddr_un addr;
addr.sun_family = AF_UNIX;
strcpy(addr.sun_path, "a.sock"); // 系统会自动创建a.sock文件

sockaddr_in结构体定义如下：

#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in
{
    int sin_family;    // 用于指定协议，和socket()的第一个参数保持一致
    short sin_port;    // 端口号
    struct in_addr sin_addr;    // 存储IP地址的结构
};

/* 示例 */
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons();
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("7.7.7.5");

3. 绑定socket描述符和struct sockaddr

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

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

/* 示例 */
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));

四、TCP通信

由于TCP会进行回传工作等，因此TCP在前三步的基础上，需要监听客户端回应并等待客户端连接。

服务器端的编程步骤：

1. 调用socket()函数，创建一个socket描述符，它和fd使用方法一致

2. 配置struct sockaddr_in或struct sockaddr_un，准备进行数据交互

3. 调用bind()函数，绑定通信地址和socket描述符

4. 调用listen()函数，监听客户端

5. 调用accept()函数，等待客户端连接。accept()会返回客户端的socket描述符，用于读写交互

6. 调用read()、write()，读写socket描述符

7. 调用close()函数，关闭socket描述符

客户端的编程步骤：

与之前一致

listen()函数定义如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

/* 示例 */
listen(sockfd, );    // 监听100个客户端

accept()函数定义如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

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

/* 示例 */
/* 客户端fd                 返回的客户端addr */
clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client, &clientlen);

服务器示例代码如下：

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

 int main()
 {
     int id = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );
     if (id == -)
         perror("socket"), exit(-);

     struct sockaddr_in addr;
     addr.sin_family = AF_INET;
     addr.sin_port = htons();
     addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

     /* 防止SIGINT后一段时间端口占用 */
     int reuse = ;
     setsockopt(id, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

     int res = bind(id, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
     if (res == -)
         perror("bind"), exit(-);
     printf("绑定完成!\n");

     listen(id, );

     int client;
     struct sockaddr_in from;
     socklen_t len = sizeof(from);

     client = accept(id, (struct sockaddr*)&from, &len);
     if (client == -)
         perror("accept"), exit(-);
     printf("%s连接了\n", inet_ntoa(from.sin_addr));

     char buf[];
     read(client, buf, sizeof(buf));
     printf("接收数据为：%s\n", buf);

     close(client);

     return ;
 }

客户端示例代码如下：

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

 int main()
 {
     int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );
     if (fd == -)
         perror("socket"), exit(-);

     struct sockaddr_in sock;
     sock.sin_family = AF_INET;
     sock.sin_port = htons();
     sock.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

     int res = connect(fd, (struct sockaddr *)&sock, sizeof(sock));
     if (res == -)
         perror("connect"),exit(-);
     printf("连接成功\n");

     char buf[];

     strcpy(buf, "Hello World");

     res = write(fd, buf, strlen(buf));
     printf("发送成功\n");

     close(fd);

     return ;
 }

测试时首先启动服务器程序，之后启动客户端。

五、UDP通信

服务器端的编程步骤：

1. 调用socket()函数，创建一个socket描述符，它和fd使用方法一致

2. 配置struct sockaddr_in或struct sockaddr_un，准备进行数据交互

3. 调用bind()函数，绑定通信地址和socket描述符

4. 调用read()或recvfrom()读socket描述符，调用sendto()写socket描述符

5. 调用close()函数，关闭socket描述符

客户端的编程步骤：

不需要之前的connect()函数；调用recvfrom()、sendto()，读写socket描述符

read()和recvfrom()的区别在于：

read()只能读数据，不能读发送方的通信地址，而recvfrom()两者皆可

recvfrom()和sendto()函数定义如下：

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

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

其中，

参数flags用于指定是否阻塞，如不需要阻塞等待可设置为MSG_DONTWAIT，阻塞等待可设置为0。

参数src_addr表示发送数据的地址；参数dest_addr表示接收数据的地址。

需要注意的是recvfrom()函数的最后一个参数采用的是指针传递，而sendto采用的值传递。

服务器示例代码如下：

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

 int main()
 {
     int id = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, );
     if (id == -)
         perror("socket"), exit(-);

     struct sockaddr_in addr;
     addr.sin_family = AF_INET;
     addr.sin_port = htons();
     addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

     /* 防止SIGINT后一段时间端口占用 */
     int reuse = ;
     setsockopt(id, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

     int res = bind(id, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
     if (res == -)
         perror("bind"), exit(-);
     printf("绑定完成!\n");

     int client;
     struct sockaddr_in from;
     socklen_t len = sizeof(from);

     char buf[];
     recvfrom(id, buf, sizeof(buf), , (struct sockaddr*)&from, &len);
     printf("%s连接了,接收数据为：%s\n", inet_ntoa(from.sin_addr), buf);

     close(client);

     return ;
 }

客户端示例代码如下：

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

 int main()
 {
     int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, );
     if (fd == -)
         perror("socket"), exit(-);

     struct sockaddr_in sock;
     sock.sin_family = AF_INET;
     sock.sin_port = htons();
     sock.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

     char buf[];

     strcpy(buf, "Hello World");

     int res = sendto(fd, buf, strlen(buf), , (struct sockaddr *)&sock, sizeof(sock));
     printf("发送成功\n");

     close(fd);

     return ;
 }

本章给出的示例代码过于简单，以后我会融合信号、多线程和线程同步知识，编写一个服务器支持多客户端示例。