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Linux应用开发---网络通信

article 2024/11/15 8:26:38

Linux应用开发—网络通信

1 网络通信概述

Linux下的网络编程，我们一般称为 socket 编程，socket 是内核向应用层提供的一套网络编程接口，我们可以基于socket接口开发自己的网络相关应用程序。

1.1 socket 简介

套接字（socket）是Linux下的一种进程间通信机制（socket IPC），使用 socket IPC 可以使得在不同主机上的应用程序之间进行通信（网络通信），也可以是同一台主机上的不同应用程序。socket IPC 通常使用客户端-服务器这种模式完成通信，多个客户端可以同时连接到服务器中，与服务器完成数据交互。
内核向应用层提供了 socket 接口，我们只需要调用 socket 接口开发我们的应用程序即可。socket 是应用层与 TCP/IP 协议通信的中间软件抽象层，它是一组接口，它把复杂的 TCP/IP 协议隐藏在接口后面。因此，我们无需深入理解 TCP/UDP 等复杂的 TCP/IP 协议，socket 已经为我们封装好了，我们只需要遵循 socket 的规定去编程，写出的程序自然遵循 TCP/UDP 标准。

1.2 IP 和端口

所有的数据传输，都要包含三个元素：源、目的和长度。
在这里插入图片描述

在网络通信中我们使用 “IP 和端口” 来表示源和目的。

1.3 网络传输中的 2 个对象：server 和 client

我们访问网站时会涉及到2个对象：网站服务器和浏览器。网站服务器平时安静地呆着，浏览器主动发起数据请求。网站服务器、浏览器可以抽象为 2 个软件的概念：server 程序、client 程序。
在这里插入图片描述

1.4 计算机网络体系结构

计算机网络体系结构分为3种：OSI体系结构（七层），TCP/IP体系结构（四层），五层体系结构。

OSI体系结构：概念清楚，理论也比较完整，但是它既复杂又不实用。
TCP/IP体系结构：TCP/IP是一个四层体系结构，得到了广泛的运用。
五层体系结构：为了方便学习，折中OSI体系结构和TCP/IP体系结构，综合二者的优点，这样既简洁，又能将概念讲清楚。

TCP/IP与OSI最大的不同在于：OSI是一个理论上的网络通信模型，而TCP/IP则是实际运行的网络协议。

1.4.1 五层网络体系结构概述

应用层：它是体系结构中的最高层，直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务。在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议，支持文件传送的 FTP 协议，DNS，POP3，SNMP，Telnet 等等。
运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。运输层主要使用以下两种协议：
- 传输控制协议 TCP：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。
- 用户数据包协议 UDP：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。
网络层：负责将被称为数据包（datagram）的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。
链路层：因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。
物理层：在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。

我们并不需要具体理解这些层，我们只需要使用“运输层”编写应用程序。使用“运输层”时，可以选择 TCP 协议，也可以选择 UDP 协议。

1.4.2 TCP 和 UDP 区别

TCP是面向连接的协议，而UDP是无连接的协议。
TCP提供可靠的数据传输，UDP则不提供可靠性保证。
TCP提供了可靠性保证，它的数据传输速度相对较慢。UDP没有额外的操作，所以传输速度相对较快。

1.4.3 为何存在UDP协议

既然 TCP 可以提供可靠的数据服务，而 UDP 却不提供，那我们是否可以只用 TCP 呢？
答案是否定的，举个例子：视频通话时，使用 UDP，偶尔的丢包、偶尔的花屏时可以忍受的；如果使用 TCP，每个数据包都要确保可靠传输，当它出错时就重传，这会导致后续的数据包被阻滞，视频效果反而不好。

1.4.4 TCP/UDP 网络通信交互图

在这里插入图片描述

2 TCP实现

2.1 服务端

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


#define SERVERPORT 8888
#define BACKLOG    10

int main(int argc,char* argv[])
{
    int iSocketServer;
    int iSocketClient;
    struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
    struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
    int iRet;
    int iAddrLen;
    int iClientNum = -1;
    int iRecvLen;
	unsigned char ucRecvBuf[1000];

    signal(SIGCHLD,SIG_IGN); //解决僵尸进程问题

    iSocketServer = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); //打开套接字
    if(iSocketServer == -1)
    {
        printf("socket error!\n");
        return -1;
    }

    memset(&tSocketServerAddr, 0x0, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
    //填充变量
    tSocketServerAddr.sin_family = AF_INET;
    tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    tSocketServerAddr.sin_port = htons(SERVERPORT);
    //将地址与套接字进行关联、绑定
    iRet = bind(iSocketServer,(const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr,sizeof(struct sockaddr));
    if(iRet == -1)
    {
        printf("bind error!\n");
        return -1;
    }

    iRet = listen(iSocketServer,BACKLOG); //监听客户端连接
    if(iRet == -1)
    {
        printf("listen error!\n");
        return -1;
    }

    while (1)
    {
        iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
        iSocketClient = accept(iSocketServer,(struct sockaddr *)&tSocketClientAddr,&iAddrLen); //接受连接
        if(iSocketClient != -1)
        {
            iClientNum++;
            printf("Get connect from client %d : %s\n",iClientNum,inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr));
            if(!fork())
            {
                /********子进程源码**********/
                while (1)
                {
                    /********接受客户端发来的数据并显示出来**********/
                    iRecvLen = recv(iSocketClient,ucRecvBuf,999,0);
                    if(iRecvLen <= 0)
                    {
                        close(iSocketClient);
                        return -1;
                    }
                    else
                    {
                        ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
                        printf("Get Msg From Client %d: %s\n",iClientNum,ucRecvBuf);
                    }
                }
            }
        }
    }
    
    close(iSocketServer); //关闭套接字
    return 0;
}

2.2客户端

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

#define SERVERPORT 8888

int main(int argc,char* argv[])
{
    int iSocketClient;
    struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
    int iRet;
    unsigned char ucSendBuf[1000];
	int iSendLen;

    if(argc != 2)
    {
        printf("Usage:\n");
        printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
		return -1;
    }

    iSocketClient = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); //打开套接字
    if(iSocketClient == -1)
    {
        printf("socket error!\n");
        return -1;
    }

    memset(&tSocketServerAddr, 0x0, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
    //填充变量
    tSocketServerAddr.sin_family = AF_INET;
    tSocketServerAddr.sin_port = htons(SERVERPORT);
    if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
 	{
		printf("invalid server_ip\n");
		return -1;
	}

    iRet = connect(iSocketClient,(const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr,sizeof(struct sockaddr)); //连接服务器
    if(iRet == -1)
    {
        printf("connect error!\n");
        return -1;
    }

    while (1)
    {
        if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
		{
			iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0); //发送数据
			if (iSendLen <= 0)
			{
				close(iSocketClient);
				return -1;
			}
		}
    }
    
    close(iSocketClient); //关闭套接字

    return 0;
}

2.3 实验

编译代码：

gcc -o server ./server.c
gcc -o client ./client.c

在这里插入图片描述

运行服务端：

./server

在这里插入图片描述

查看本机可用ip：

ifconfig

在这里插入图片描述

运行客户端

./client 192.168.217.128

在这里插入图片描述
并且可以看到服务端连接到客户端。

发送数据

在这里插入图片描述
在服务器端显示接收到的内容。

3 UDP实现

3.1 服务端

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

#define SERVERPORT 8888

int main(int argc,char* argv[])
{
    int iSocketServer;
    struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
    struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
    int iRet;
    int iAddrLen;
    int iRecvLen;
	unsigned char ucRecvBuf[1000];

    iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);//打开套接字
    if (iSocketServer == -1)
    {
        printf("socket error!\n");
        return -1;
    }

    memset(&tSocketServerAddr, 0x0, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
    //填充变量
    tSocketServerAddr.sin_family = AF_INET;
    tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    tSocketServerAddr.sin_port = htons(SERVERPORT);
    //将地址与套接字进行关联、绑定
    iRet = bind(iSocketServer,(const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr,sizeof(struct sockaddr));
    if(iRet == -1)
    {
        printf("bind error!\n");
        return -1;
    }

    while (1)
    {
        iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
        iRecvLen = recvfrom(iSocketServer,ucRecvBuf,999,0,(struct sockaddr *)&tSocketClientAddr,&iAddrLen);
        if(iRecvLen > 0)
        {
            ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
            printf("Get Msg From %s : %s\n", inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr), ucRecvBuf);
        }
    }   

    close(iSocketServer);

    return 0;
}

3.2 客户端

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

#define SERVERPORT 8888

int main(int argc,char* argv[])
{
    int iSocketClient;
    struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
    int iRet;
    unsigned char ucSendBuf[1000];
	int iSendLen;


    if (argc != 2)
	{
		printf("Usage:\n");
		printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

    iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //打开套接字
    if (iSocketClient == -1)
    {
        printf("socket error!\n");
        return -1;
    }

    memset(&tSocketServerAddr, 0x0, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
    //填充变量
    tSocketServerAddr.sin_family = AF_INET;
    tSocketServerAddr.sin_port = htons(SERVERPORT);
    if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
 	{
		printf("invalid server_ip\n");
		return -1;
	}

    iRet = connect(iSocketClient,(const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr,sizeof(struct sockaddr)); //连接服务器
    if(iRet == -1)
    {
        printf("connect error!\n");
        return -1;
    }

    while (1)
    {
        if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
		{
			iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0); //发送数据
			if (iSendLen <= 0)
			{
				close(iSocketClient);
				return -1;
			}
		}
    }
    
    close(iSocketClient);

    return 0;
}

3.3 实验

编译代码：

gcc -o server ./server.c
gcc -o client ./client.c

在这里插入图片描述

运行服务端

./server

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运行客户端

./client 192.168.217.128

在这里插入图片描述

发送数据

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在服务器端显示接收到的内容。

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