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linux-----网络编程

article 2024/12/22 7:46:35

网络编程基础概念
- IP地址：是互联网协议地址，用于在网络中唯一标识一台设备。在IPv4中，地址是32位的二进制数，通常以点分十进制表示，如192.168.1.1。IPv6是128位的地址，用于提供更多的地址空间，格式更复杂。
- 端口号：用于标识一台主机上的不同应用程序或服务。端口号范围是0 - 65535，其中0 - 1023被系统保留用于一些知名的服务，如HTTP（80）、HTTPS（443）、SSH（22）等。应用程序可以使用其他端口号来提供服务或进行通信。
- 协议：网络协议规定了网络通信的规则和格式。常见的协议有TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。
  - TCP：是一种面向连接的、可靠的传输协议。它通过三次握手建立连接，在数据传输过程中会进行流量控制、拥塞控制和差错校验等，保证数据的可靠传输。适用于对数据准确性要求较高的场景，如文件传输、网页浏览等。
  - UDP：是一种无连接的、不可靠的传输协议。它不建立连接，数据发送方只管发送数据，接收方只管接收数据，不保证数据一定能到达，也不保证数据的顺序。但UDP具有传输速度快、开销小的特点，适用于对实时性要求较高，对数据准确性要求相对较低的场景，如视频直播、实时游戏等。
套接字（Socket）编程基础
- 套接字的概念：在Linux网络编程中，套接字是一种通信机制，它提供了应用程序与网络协议栈之间的接口，使得应用程序可以通过网络进行通信。可以把套接字看作是通信的端点，就像电话的插座一样，应用程序通过它来发送和接收数据。
- 套接字的类型：
  - 流式套接字（SOCK_STREAM）：基于TCP协议，提供面向连接的、可靠的字节流服务。
  - 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：基于UDP协议，提供无连接的、不可靠的数据报服务。
基于TCP的网络编程
- 服务器端编程步骤：
  - 创建套接字：使用socket函数创建一个套接字。函数原型为int socket(int domain, int type, int protocol);，其中domain指定协议族（如AF_INET表示IPv4），type指定套接字类型（如SOCK_STREAM表示TCP套接字），protocol通常设为0，表示使用默认协议。例如：int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);。
  - 绑定地址和端口：使用bind函数将套接字绑定到一个本地地址和端口。函数原型为int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);，其中sockfd是套接字描述符，addr是指向sockaddr结构体（对于IPv4通常使用sockaddr_in）的指针，包含IP地址和端口号信息，addrlen是结构体的长度。例如：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8888);  // 将端口号转换为网络字节序
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定到所有可用的本地IP地址
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

 - **监听端口**：使用`listen`函数让套接字进入监听状态，等待客户端连接。函数原型为`int listen(int sockfd, int backlog);`，其中`sockfd`是套接字描述符，`backlog`表示等待连接队列的最大长度。例如：`listen(sockfd, 5);`。
 - **接受客户端连接**：使用`accept`函数接受客户端连接，该函数会阻塞，直到有客户端连接。函数原型为`int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);`，它返回一个新的套接字描述符，用于与客户端进行通信，原套接字继续监听其他客户端连接。例如：

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
int client_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);

 - **与客户端通信**：使用`send`和`recv`函数在服务器端和客户端之间发送和接收数据。例如：

char buffer[1024];
recv(client_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);  // 接收客户端数据
send(client_sockfd, "服务器响应", strlen("服务器响应"), 0);  // 向客户端发送数据

 - **关闭套接字**：使用`close`函数关闭套接字，释放资源。例如：`close(client_sockfd); close(sockfd);`。

客户端编程步骤：
- 创建套接字：同服务器端，使用socket函数创建一个套接字。例如：int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);。
- 连接服务器：使用connect函数连接到服务器。函数原型为int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);，其中sockfd是套接字描述符，addr是指向包含服务器地址和端口号的sockaddr结构体的指针，addrlen是结构体长度。例如：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8888);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr.s_addr);  // 将IP地址转换为网络字节序
connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

 - **与服务器通信**：使用`send`和`recv`函数发送和接收数据，与服务器端类似。
 - **关闭套接字**：使用`close`函数关闭套接字。

基于UDP的网络编程
- 服务器端编程步骤：
  - 创建套接字：使用socket函数创建一个UDP套接字。例如：int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);。
  - 绑定地址和端口：使用bind函数将套接字绑定到本地地址和端口，与TCP服务器端类似。
  - 接收和发送数据：使用recvfrom和sendto函数接收和发送数据。recvfrom函数原型为ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);，用于接收数据并获取发送方的地址。sendto函数原型为ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);，用于向指定地址发送数据。例如：

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
char buffer[1024];
recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
sendto(sockfd, "服务器响应", strlen("服务器响应"), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, client_len);

 - **关闭套接字**：使用`close`函数关闭套接字。

客户端编程步骤：
- 创建套接字：同服务器端，创建一个UDP套接字。
- 发送和接收数据：使用sendto和recvfrom函数发送和接收数据，与服务器端类似，但不需要绑定地址和端口（系统会自动分配），或者可以绑定一个本地地址和端口用于接收服务器响应。
- 关闭套接字：使用close函数关闭套接字。

高级网络编程主题
- 非阻塞套接字和异步I/O：默认情况下，套接字操作是阻塞的，即函数（如accept、recv等）会一直等待操作完成。非阻塞套接字可以让这些操作立即返回，通过轮询或使用异步I/O机制（如select、poll、epoll等）来检查操作是否完成。epoll是Linux特有的高性能I/O复用机制，相比select和poll，它在处理大量并发连接时效率更高。
- 多线程/多进程网络服务器：为了提高服务器的并发处理能力，可以使用多线程或多进程来处理客户端连接。在多线程网络服务器中，主线程负责监听客户端连接，当有连接时，创建一个新线程来处理与该客户端的通信。多进程网络服务器类似，但使用进程来处理通信，进程间通信可以通过管道、共享内存等方式实现。
- 网络安全相关编程：在网络编程中，安全是非常重要的。可以使用SSL/TLS协议来加密网络通信，防止数据被窃取或篡改。在Linux中，OpenSSL库是常用的加密库，通过它可以实现安全的网络连接，如在HTTP基础上实现HTTPS。