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Socket编程（TCP/UDP详解）

article 2024/12/1 12:54:34

前言：之前因为做项目和找实习没得空，计算机网络模块并没有写成博客，最近得闲了，把计算机网络模块博客补上。

目录

一，UDP编程

1）创建套接字

2）绑定端口号

3）发送与接收数据

4）UDP简单的发送数据和接收数据服务器

二，TCP编程

1）创建套接字

2）绑定端口号

3）使套接字进入监听状态

4）获取成功建立连接的的文件描述符和主机信息

5）发送与接收数据

6）连接其他主机

7）TCP简单的发送数据和接收数据服务器

scoket编程即套接字编程，是网络编程的基础，它允许两台或者多台计算机进行网络通信，这篇文章主要讲socket编程利用里面的TCP和UDP相关接口实现网络通信。

一，UDP编程

在udp编程里面，我们首先要创建一个套接字，也就是文件描述符。用来接收数据与发送数据，但注意，UDP为每一个套接字维护一个缓冲区，但是发送缓冲区是临时的、不可见的。这是为什么呢？UDP是面向无连接的，每次发送数据都是相对独立的，这允许我们可以使用临时的缓冲区，UCP数据发送完就不管任何事了，不会像TCP一样要确认对方收到，没收到还要进行重传等操作。不维护一个长久的缓冲区，也可以节省空间资源，使UDP变得轻量与高效。如果接收缓冲区设置成临时的那么数据到达后，如果应用程序没有及时读取可能出现丢失，那么如果一直等到读取完再销毁，一个套接字缓冲区可能接收很多主机的信息，可能接收缓冲区会频繁的创建，销毁，这会有很多不必要的开销。

1）创建套接字

第一个参数是网络通信协议，如IPV4或者IPV6等，具体参考下图

第二个参数是套接字的类型，使用什么方式通信，如数据报（UDP）或者字节流（TCP）等

返回值为-1代表创建失败，并设置错误码，大于0代表成功创建。

使用例子：

        //AF_INET代表IPV4协议格式，SOCK_DGRAM代表以UDP数据报形式发送，0代表选择IPV4和UDP的默认协议
        int fd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
        if(fd<0){
            cout<<"创建套接字失败"<<endl;
        }

2）绑定端口号

在我的上一篇文章，我们以及明白绑定端口号加上IP才能确定互联网内的唯一一台主机，客户端可以不绑定端口号，这样子操作系统就会随机分配端口号，但是服务端不能这样，不然其他人无法主动连接服务端，因为其他人根本无法发现它，需要被别人第一次主动发现需要绑定端口号。现在我们来学习绑定端口号的接口。

scokfd就是我们前面使用socket接口创建的文件描述符。我们重点介绍接下来第二个参数，第三个参数是第二个参数的长度。

addr是结构体强转后得到的，它可以由IPV4结构体格式强转得到，也可以由IPV6格式强转得到，socketaddr_in是IPV4协议，socketaddr_un是IPV6协议。可以看下图理解

struct socketaddr里面的内容

struct socketaddr_in里面的内容

上图struct in_addr里面的内容

具体初始化和使用例子：

//IPV4结构体
        struct sockaddr_in _addr; 
        //设置为IPV4协议
        _addr.sin_family=AF_INET;
        //端口号网络字节序
        _addr.sin_port=htons(PORT);
        //IP地址网络字节序，inet_addr函数将C风格字符串的IP地址形式转化成uint32_t的网络字节序类型
        _addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(IP);
        //成功返回0，失败返回-1设置错误码，设置成功只能接收来自IP主机发送给PORT的信息
        int result=bind(fd,(struct sockaddr*)&_addr,(socklen_t)sizeof(_addr));
        if(result!=0){
            cout<<"绑定端口号失败"<<endl;
        }

3）发送与接收数据

发送数据，UDP协议使用的是sendto接口

socketfd就是套接字文件描述符，buf是发送的数据地址，len是发送数据的长度，flag是位图，使用|可以实现对发送的方法控制

  • 发送标志，可以是一个或多个标志的组合，用于修改 sendto 的行为。常见的标志包括：
    • MSG_CONFIRM：请求确认消息已被接收（某些实现可能不支持）。
    • MSG_DONTROUTE：避免路由，直接发送到本地接口。
    • MSG_DONTWAIT：非阻塞发送，如果操作会阻塞，则立即返回错误。
    • MSG_EOR：表示记录结束（对某些协议有意义）。
    • MSG_MORE：指示发送的数据是更大消息的一部分。

后面两个参数就不必多少，目标地址的信息和长度强转得来。最后成功返回发送数据的长度，失败返回-1，并设置错误码。

接收数据，UDP协议用的是recvfrom函数，

socketfd就是套接字文件描述符，buf是接收数据存放的地址，len是接收数据的最大长度，flag是位图，使用|可以实现对接收数据的方法控制

  • 接收标志，可以是一个或多个标志的组合，用于修改 recvfrom 的行为。常见的标志包括：
    • MSG_PEEK：查看数据而不从队列中删除它。
    • MSG_WAITALL：请求接收完整的消息（对于某些协议可能不适用）。
    • MSG_DONTWAIT：非阻塞接收，如果操作会阻塞，则立即返回错误。
    • MSG_TRUNC：即使数据被截断也继续接收（通常与 MSG_PEEK 一起使用）。
    • MSG_CTRUNC：如果控制消息被截断，则设置 msg_flags 的 MSG_CTRUNC 标志。

src_addr会返回发送数据的信息，如端口号，IP地址，addrlen是src_addr的长度。成功返回收到数据的长度，失败返回-1。

4）UDP简单的发送数据和接收数据服务器

中间可能有一个地方没讲清楚，bind函数不论接收，数据还是发送数据都最好设置，设置成功能接收你设置的主机发过来的特点端口号消息，sendto函数里面设置的是要发送给的人的IP和端口号。recvfrom函数里面的struct sockeaddr是接收消息的发送主机信息，方便你回信息和处理。

发送端

       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>
       #include<unistd.h>
       #include <arpa/inet.h>
       #include <netinet/in.h>
       #include<iostream>
       using namespace std;

       #define PORT 8081
       //本地环回通信测试
       #define IP "127.0.0.1"
       int main(){
        //AF_INET代表IPV4协议格式，SOCK_DGRAM代表以UDP数据报形式发送，0代表选择IPV4和UDP的默认协议
        int fd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
        if(fd<0){
            cout<<"创建套接字失败"<<endl;
            return -1;
        }
        //不绑定端口号，操作系统随机分配
        char msg[13]="hello world!";
        struct sockaddr_in _send; 
        _send.sin_family=AF_INET;
        _send.sin_port=htons(8080);
        _send.sin_addr.s_addr=inet_addr(IP);
        //给地址为IP主机8080端口号发送消息
        int result=sendto(fd,(void*)msg,13,0,(struct sockaddr*)&_send,(socklen_t)sizeof(_send));
        if(result<0){
            cout<<"发送数据失败"<<endl;
            return -1;
        }
        close(fd);
        return 0;
       }

接收端

       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>
       #include<unistd.h>
       #include <arpa/inet.h>
       #include <netinet/in.h>
       #include<iostream>
       using namespace std;
        #define PORT 8080
       int main(){
        //AF_INET代表IPV4协议格式，SOCK_DGRAM代表以UDP数据报形式发送，0代表选择IPV4和UDP的默认协议
        int fd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
        if(fd<0){
            cout<<"创建套接字失败"<<endl;
            return -1;
        }
        //IPV4结构体
        struct sockaddr_in _addr; 
        //设置为IPV4协议
        _addr.sin_family=AF_INET;
        //端口号网络字节序
        _addr.sin_port=htons(PORT);
        //接收所有主机的信息
        _addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
        //成功返回0，失败返回-1设置错误码
        int result=bind(fd,(struct sockaddr*)&_addr,(socklen_t)sizeof(_addr));
        if(result!=0){
            cout<<"绑定端口号失败"<<endl;
            return -1;
        }
        char msg[20];
        struct sockaddr_in recv;
        //必须写，不能为空。
        socklen_t len=sizeof(recv);
        result=recvfrom(fd,(void*)msg,20,0,(struct sockaddr*)&recv,&len);
        if(result<0){
            cout<<"接收数据数据失败"<<endl;
            return -1;
        }
        for(int i=0;i<result;i++){
            cout<<msg[i];
        }
        close(fd);
        return 0;
       }

二，TCP编程

1）创建套接字

创建套接字，与UDP创建套接字相似，只要把SOCK_DGRAM改为SOCK_STREAM

        //SOCK_STREAM代表字节流，适用于TCP
        int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
        if(fd<0){
            cout<<"创建套接字失败"<<endl;
            return -1;
        }

2）绑定端口号

绑定端口号与UDP没有差别，就是接收来自指定的主机的连接请求，UDP是没有连接，需要发送消息时指定目的地址的。暂时简单理解就行。

struct sockaddr_in _addr; 
        //设置为IPV4协议
        _addr.sin_family=AF_INET;
        //端口号网络字节序
        _addr.sin_port=htons(PORT);
        //IP地址网络字节序，inet_addr函数将C风格字符串的IP地址形式转化成uint32_t的网络字节序类型
        _addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(IP);
        //成功返回0，失败返回-1设置错误码
        int result=bind(fd,(struct sockaddr*)&_addr,(socklen_t)sizeof(_addr));
        if(result!=0){
            cout<<"绑定端口号失败"<<endl;
            return -1;
        }

3）使套接字进入监听状态

在TCP编程里面，创建套接字后并不能直接使用，TCP套接字只用来接收来自其他主机的连接请求，UDP发送完数据就不管了，是无连接的，TCP是面向连接的，双方会建立一个连接，也就是会为两台主机间创建单独的文件描述符，并且进行管理，这个文件描述符只能用来双方通信，而UDP可以实现一个文件描述符也就是socket就向所有主机发送消息。只有将套接字变成监听状态才会接收来自其他主机的连接。

第一个参数无需多言，就是我们使用socket函数创建的套接字，backlog是允许同时与多少台主机建立连接，也就是同时创建多少个通信的文件描述符，成功返回0，失败返回-1，并设置错误码。

        //允许同时最大与三个主机建立连接
        result=listen(fd,3);
        if(result!=0){
            cout<<"套接字启动监听失败"<<endl;
            return -1;
        }

4）获取成功建立连接的的文件描述符和主机信息

套接字进入监听状态后，我们需要获得建立连接的文件描述符，这样基于文件描述符才能和建立连接的主机通信，我们使用accept函数获取建立连接的消息，一般使用一个while循环来获取得到的多个连接信息。

第一个参数是套接字，第二个参数是连接主机的信息，第三个是第二个参数的长度，方便区分类型。成功返回建立连接的文件描述符，失败返回-1，并设置错误码。

        while(1){
            //这里不对对方主机信息进行处理，设置为空
            int fd_net=accept(fd,NULL,NULL);
            if(fd_net==-1){
            cout<<"TCP连接失败"<<endl;
            return -1;
            }
            //进行处理，发送或者接收数据
        }

5）发送与接收数据

TCP可以使用UDP的sendto和recvfrom函数发送与接收数据，但一般不这么做，因为TCP以及建立连接了，每个连接文件描述符都只和一台主机通信，被唯一的四元组来标识的，这个四元组包括源IP地址、源端口号、目的IP地址和目的端口号。没必要使用这两个函数，这两个函数里面还需要包括目的主机地。一般使用send和write,read与recv。

flag常用标志

  1. MSG_DONTWAIT（或MSG_NONBLOCK）
    • 作用：允许非阻塞操作。如果套接字被设置为非阻塞模式，并且发送缓冲区已满，则send函数会立即返回，而不是阻塞等待缓冲区空间可用。
    • 返回值：在非阻塞模式下，如果发送缓冲区已满，send函数可能返回-1，并设置errno为EAGAIN或EWOULDBLOCK，表示资源暂时不可用。
  2. MSG_OOB（Out-of-Band Data）
    • 作用：发送带外数据。带外数据通常用于发送紧急数据，这些数据会被接收方优先处理。然而，并非所有协议都支持带外数据，且其使用方式可能因协议而异。
    • 限制：MSG_OOB标志通常仅适用于流式套接字（如SOCK_STREAM），而不适用于数据报套接字（如SOCK_DGRAM）。
  3. MSG_DONTROUTE
    • 作用：勿将数据路由出本地网络。这个标志告诉系统不要通过网关或路由器发送数据，而只在本地网络上发送。然而，并非所有系统都支持这个标志，且其效果可能因系统而异。

成功返回发送数据大小，失败返回-1，设置错误码。

fd是文件描述符，也就是accept函数的返回值，buf被发送的数据，count是发送的大小。

flag常用标志

  1. MSG_PEEK
    • 作用：查看接收队列中的数据，但不从队列中移除它们。这允许调用者在不实际消耗数据的情况下检查是否有数据可读。
    • 使用场景：在需要多次读取同一份数据或检查数据是否到达时非常有用。
  2. MSG_WAITALL
    • 作用：阻塞调用，直到接收到指定长度的数据或连接关闭。然而，需要注意的是，并非所有系统都支持这个标志，且其行为可能因系统而异。
    • 使用场景：在需要确保接收到完整消息时非常有用，但应谨慎使用，因为它可能导致程序在数据不足时长时间阻塞。
  3. MSG_DONTWAIT（或MSG_NONBLOCK）
    • 作用：在非阻塞模式下接收数据。如果当前没有数据可读，则立即返回，而不是阻塞等待。
    • 使用场景：在需要避免阻塞等待数据到达时非常有用，例如在非阻塞I/O或事件驱动的编程模型中。
  4. MSG_OOB
    • 作用：接收带外数据（Out-of-Band Data）。带外数据通常用于发送紧急数据，这些数据会被接收方优先处理。然而，并非所有协议都支持带外数据。
    • 使用场景：在需要处理紧急数据或优先级较高的消息时非常有用，但应确保所使用的协议支持带外数据。
  5. MSG_TRUNC
    • 作用：如果接收到的数据长度超过了缓冲区长度，则只返回缓冲区长度的数据，并截断多余的数据。然而，需要注意的是，并非所有系统都支持这个标志。
    • 使用场景：在需要限制接收数据的大小或处理不完整数据时可能有用。
  6. MSG_CTRUNC
    • 作用：类似于MSG_TRUNC，但用于控制信息的截断。如果接收到的控制信息长度超过了缓冲区长度，则只返回缓冲区长度的控制信息。
    • 使用场景：在处理带有控制信息的套接字时可能有用。
  7. MSG_ERRQUEUE
    • 作用：接收错误信息。如果接收到的数据包出现错误，则会将错误信息放入错误队列中，可以通过此标志来接收这些错误信息。
    • 使用场景：在需要处理套接字错误或诊断网络问题时非常有用。

fd是文件描述符，也就是accept函数的返回值，buf存放数据，count是接收数据的最大大小，防止越界。

6）连接其他主机

上面我们只说了如何被动连接其他主机，但我们该如何主动连接其他主机呢？使用connect函数我们主动连接其他主机，是需要设置协议和IP，端口号信息的。注意connect连接成功之后这个scokfd就被占用了，用来后续的通信，需要继续使用socket函数创建与多台主机建立连接。这是与accept函数不同的地方，accept函数是创建了新的文件描述符，sockfd还可以继续监听。

成功返回0，失败返回-1，其他这些前面都讲过，老生常谈了，无需多言。

7）TCP简单的发送数据和接收数据服务器

服务端

       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>
       #include<unistd.h>
       #include <arpa/inet.h>
       #include <netinet/in.h>
       #include<iostream>
       using namespace std;
       #define PORT 8080
       #define IP "127.0.0.1"
       int main(){
        //SOCK_STREAM代表字节流，适用于TCP
        int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
        if(fd<0){
            cout<<"创建套接字失败"<<endl;
            return -1;
        }
        //IPV4结构体
        struct sockaddr_in _addr; 
        //设置为IPV4协议
        _addr.sin_family=AF_INET;
        //端口号网络字节序
        _addr.sin_port=htons(PORT);
        //IP地址网络字节序，inet_addr函数将C风格字符串的IP地址形式转化成uint32_t的网络字节序类型
        _addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(IP);
        //成功返回0，失败返回-1设置错误码
        int result=bind(fd,(struct sockaddr*)&_addr,(socklen_t)sizeof(_addr));
        if(result!=0){
            cout<<"绑定端口号失败"<<endl;
            return -1;
        }
        //允许同时最大与三个主机建立连接
        result=listen(fd,3);
        if(result!=0){
            cout<<"套接字启动监听失败"<<endl;
            return -1;
        }
        while(1){
            //这里不对对方主机信息进行处理，设置为空
            int fd_net=accept(fd,NULL,NULL);
            if(fd_net==-1){
            cout<<"TCP连接失败"<<endl;
            return -1;
            }
            char msg[13]="hello world!";
            //进行处理，发送或者接收数据
            result=send(fd_net,(void*)msg,13,0);
            close(fd);
        }
        return 0;
       }

客户端

       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>
       #include<unistd.h>
       #include <arpa/inet.h>
       #include <netinet/in.h>
       #include<iostream>
       using namespace std;
       #define PORT 8080
       #define IP "127.0.0.1"
       int main(){
        //SOCK_STREAM代表字节流，适用于TCP
        int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
        if(fd<0){
            cout<<"创建套接字失败"<<endl;
            return -1;
        }
        //IPV4结构体
        struct sockaddr_in _addr; 
        //设置为IPV4协议
        _addr.sin_family=AF_INET;
        //端口号网络字节序
        _addr.sin_port=htons(PORT);
        _addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(IP);
        int result=connect(fd,(struct sockaddr*)&_addr,(socklen_t)sizeof(_addr));
        if(result==-1){
            cout<<"连接主机失败"<<endl;
            return -1;
        }
        char msg[20];
        result=recv(fd,msg,20,0);
        for(int i=0;i<result;i++){
            cout<<msg[i];
        }
        close(fd);
        return 0;
       }

创造不易，我为人人，人人为我，如果大家有所收获的话可以点赞加关注，下一篇文章将会着重讲TCP与UDP的特性。


http://www.kler.cn/a/417047.html

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