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网络编程

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飞鸟与森林

客户端-服务端模型，IP，套接字接口

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CMU CS15-213: CSAPP

基本概念

IP

  • 主机被映射成32位的IP地址
  • IP地址被映射成域名

IP地址是32位的二进制数，存在in_addr结构中

struct in_addr {
    uint32_t s_addr; // 32位的IP地址
};

应用程序提供inet_pton和inet_ntop函数来在点分十进制字符串和二进制IP地址之间进行转换

#include <arpa/inet.h>
 
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

Unix提供htonl和ntohl函数来在主机字节顺序和网络字节顺序之间进行转换

#include <arpa/inet.h>
 
uint32_t htonl(uint32_t hostlong); // 将32位主机字节顺序转换为网络字节顺序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);  // 将32位网络字节顺序转换为主机字节顺序
 
uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 将16位主机字节顺序转换为网络字节顺序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);  // 将16位网络字节顺序转换为主机字节顺序

套接字

套接字是系统提供的网络通信接口

在Linux中，套接字被实现为文件描述符，应用程序可以使用普通文件的read和write函数来进行网络通信

写套接字，就是将数据发往网络的发送缓冲区；读套接字，就是从网络的接收缓冲区读取数据

套接字接口

套接字接口是用来创建网络连接的一组函数

地址结构

套接字地址结构是struct sockaddr，它是一个通用的套接字地址结构

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family; // 地址族
    char sa_data[14];      // 地址数据
};

具体的IPV4套接字地址结构是struct sockaddr_in

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family; // 地址族(AF_INET)
    in_port_t sin_port;     // 端口号
    struct in_addr sin_addr; // IP地址
    char sin_zero[8];       // 填充字节，保持结构体大小为16字节
};

socket

客户端和服务器都需要创建套接字，使用socket函数

#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
 
int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函数创建一个套接字，返回一个文件描述符

返回的文件描述符还不能进行读写操作

  • 对于服务器，要bind套接字到一个地址和端口，然后listen套接字，等待客户端连接
  • 对于客户端，要connect套接字到服务器的地址，建立连接
套接字接口

服务端

BIND:

服务器使用bind函数将套接字绑定到一个地址和端口

#include <sys/socket.h>
 
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

const struct sockaddr *addr表示要绑定的地址和端口

端口表示服务端开放服务的端口，客户端通过连接这个端口来访问服务端

IP地址表示服务器愿意为哪些特定IP提供服务

  • 0.0.0.0表示服务器愿意为所有IP提供服务
  • 192.168.1.10表示只有内网内的机器可以访问
  • 127.0.0.1表示只有本机可以访问

LISTEN:

服务器使用listen函数将套接字设置为监听状态，等待客户端连接

#include <sys/socket.h>
 
int listen(int sockfd, int backlog);

listen函数返回的listen_fd是监听套接字，当标记为可读时，表示有客户端连接请求到达

系统会维持一个队列，当客户端连接请求到达时，系统会将请求放入队列中

ACCEPT:

服务器使用accept函数从队列中取出一个客户端连接请求，返回一个新的套接字文件描述符，用于与客户端通信

#include <sys/socket.h>
 
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept返回的conn_fd是一个新的套接字文件描述符，用于与客户端通信

对conn_fd进行写操作时，数据会通过网络发送到客户端；对conn_fd进行读操作时，数据读取客户端发送的数据

客户端

客户端使用connect函数连接服务器

#include <sys/socket.h>
 
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

connect返回的sockfd可以读写以与服务器通信

主机与服务转换

GETADDRINFO:

getaddrinfo函数将主机名和服务名转换为套接字地址结构

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
 
int getaddrinfo(const char *host, const char *service,
                const struct addrinfo *hints,
                struct addrinfo **res);
 
void freeaddrinfo(struct addrinfo *res);

函数getaddrinfo将传入的res指针指向一个链表，链表中的每个节点都是一个struct addrinfo结构体，包含着host的信息

getaddrinfo返回链表

GETNAMEINFO:

getnameinfo函数将套接字地址结构转换为主机名和服务名

#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
 
int getnameinfo(const struct sockaddr *sa, socklen_t salen,
                char *host, size_t hostlen,
                char *serv, size_t servlen, int flags);