本文主要記錄TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)編程的基礎(chǔ)知識，采用TCP/UDP實現(xiàn)宿主機和目標(biāo)機之間的網(wǎng)絡(luò)通信。

內(nèi)容目錄

1. 目標(biāo)

   2.Linux網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)

   2.1 嵌套字2.2 端口

   2.3 網(wǎng)絡(luò)地址

   2.3.1 網(wǎng)絡(luò)地址的格式

   2.3.2 網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)換

   2.4 字節(jié)序

   3.TCP

   3.1 TCP流程圖

   3.2 TCP步驟分析

   3.3 TCP完整代碼

   3.4 測試結(jié)果

   4.UDP

   4.1 UDP流程圖

   4.2 UDP步驟分析

   4.3 UDP完整代碼

   4.4 測試結(jié)果

1. 目標(biāo)

實現(xiàn)讓兩個設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，比如開發(fā)板和Linux主機之間傳數(shù)據(jù)，

以后就可以實現(xiàn)開發(fā)板通過網(wǎng)絡(luò)上報數(shù)據(jù)或者 主機通過網(wǎng)絡(luò)控制開發(fā)板 。

此外，暫時不想關(guān)心具體的網(wǎng)絡(luò)模型，更注重于網(wǎng)絡(luò)相關(guān)函數(shù)的直接使用。

2.Linux網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)

2.1 嵌套字

多個TCP連接或者多個應(yīng)用程序進程 可能需要同一個TCP端口傳輸數(shù)據(jù)。

為了區(qū)分不同應(yīng)用程序進程和連接，許多計算機操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序與TCP/IP交互提供了稱為 嵌套字(Socket) 的接口。

Linux中的網(wǎng)絡(luò)編程正是通過Socket接口實現(xiàn)的，Socket是一種文件描述符。

常用的TCP/IP有以下三種類型的嵌套字：

• 流式嵌套字（SOCK_STREAM）

  用于提供面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，即使用TCP進行傳輸。

• 數(shù)據(jù)報嵌套字（SOCK_DGRAM）

  用于提供無連接的服務(wù)，即使用UDP進行傳輸。

• 原始嵌套字（SOCK_RAW）

  可以讀寫內(nèi)核沒有處理的IP數(shù)據(jù)報，而流式嵌套字只能讀取TCP的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)報嵌套字只能讀取UDP的數(shù)據(jù)。

因此，如果要訪問其它協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)必須使用原始嵌套字，它允許對底層協(xié)議(如IP或ICMP)直接訪問。

2.2 端口

TCP/IP協(xié)議中的端口，端口號的范圍從0~65535。

一類是由互聯(lián)網(wǎng)指派名字和號碼公司ICANN負(fù)責(zé)分配給一些常用的應(yīng)用程序固定使用的“周知的端口”，其值一般為0~1023。例如http的端口號是80，F(xiàn)TP為21，SSH為22，Telnet為23等。

還有一類是用戶自己定義的，通常是大于1024的整型值。

2.3 網(wǎng)絡(luò)地址

網(wǎng)絡(luò)通信，歸根到底還是進程間的通信(不同計算機上的進程間通信)。

在網(wǎng)絡(luò)中，每一個節(jié)點(計算機或路由)都有一個網(wǎng)絡(luò)地址，如192.168.1.4，也就是IP地址。

兩個進程通信時，首先要確定各自所在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址。

但是，網(wǎng)絡(luò)地址只能確定進程所在的計算機，而一臺計算機上很可能同時運行著多個進程，所以僅憑網(wǎng)絡(luò)地址還不能確定到底是和網(wǎng)絡(luò)中的哪一個進程進行通信，因此套接口中還需要包括其他的信息，也就是端口號（PORT）。

在一臺計算機中，一個端口號一次只能分配給一個進程，也就是說，在一臺計算機中，端口號和進程之間是一一對應(yīng)關(guān)系。

所以， 使用端口號和網(wǎng)絡(luò)地址的組合可以唯一的確定整個網(wǎng)絡(luò)中的一個網(wǎng)絡(luò)進程 。

例如，如網(wǎng)絡(luò)中某一臺計算機的IP為192.168.1.4，操作系統(tǒng)分配給計算機中某一應(yīng)用程序進程的端口號為1500，則此時192.168.1.4 1500就構(gòu)成了一個套接口。

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)地址的格式

在Socket程序設(shè)計中，struct sockaddr用于記錄網(wǎng)絡(luò)地址，其格式如下：

1struct sockaddr
2{
3     unsigned short sa_family; /*協(xié)議族，采用AF_XXX的形式，例如AF_INET(IPv4協(xié)議族)*/
4     char sa_data[14]; /*14字節(jié)的協(xié)議地址，包含該socket的IP地址和端口號。*/
5};

但在實際編程中，并不針對sockaddr數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行操作，而是用與其等價的sockaddr_in數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

1struct sockaddr_in
2{
3     short int sa_family; /*地址族*/
4     unsigned short int sin_port; /*端口號*/
5     struct in_addr sin_addr; /*IP地址*/
6     unsigned char sin_zero[8]; /*填充0 以保持與struct sockaddr同樣大小*/
7};

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)換

IP地址通常用數(shù)字加點(如192.168.1.4)表示，而在struct in_addr中使用的式32位整數(shù)表示。因此，Linux提供如下函數(shù)進行兩者之間的轉(zhuǎn)換：

• inet_aton()函數(shù)：

所需要頭文件 ：

#include

#include

#include

函數(shù)格式 ：

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);

函數(shù)功能 ：

將a.b.c.d字符串形式的IP地址轉(zhuǎn)換成32位網(wǎng)絡(luò)序號IP地址；

*cp:存放字符串形式的IP地址的指針

*inp:存放32位的網(wǎng)絡(luò)序號IP地址

返回值 ：

轉(zhuǎn)換成功，返回非0，否則返回0；

• inet_ntoa()函數(shù)：客戶機端:

所需要頭文件 ：

#include

#include

#include

函數(shù)格式 ：

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

函數(shù)功能 ：

將32位網(wǎng)絡(luò)序號IP地址轉(zhuǎn)換成a.b.c.d字符串形式的IP地址；

in：Internet主機地址的結(jié)構(gòu)

返回值 ：

轉(zhuǎn)換成功，返回一個字符指針，否則返回NULL；

2.4 字節(jié)序

不同的CPU采用對變量的字節(jié)存儲順序可能不同。

常用的X86結(jié)構(gòu)是小端模式，很多的ARM，DSP都為小端模式，即內(nèi)存的低地址存儲數(shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存儲數(shù)據(jù)的高字節(jié)。

而KEIL C51則為大端模式，內(nèi)存的高地址存儲數(shù)據(jù)的低字節(jié)，低地址存儲數(shù)據(jù)高字節(jié)。

對于網(wǎng)絡(luò)傳輸來說，數(shù)據(jù)順序必須是一致的，網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序采用大端字節(jié)序方式。

下面是四個常用的轉(zhuǎn)換函數(shù)：

主機轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)：

• htons()函數(shù)：

所需要頭文件 ：

#include

函數(shù)格式 ：

unsigned short int htons(unsigned short int hostshort)

函數(shù)功能 ：

將參數(shù)指定的16位主機(host)字符順序轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)(net)字符順序；

hostshort：待轉(zhuǎn)換的16位主機字符順序數(shù)

返回值 ：

返回對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)字符順序數(shù)；

• htonl()函數(shù)：

所需要頭文件 ：

#include

函數(shù)格式 ：

unsigned long int htons(unsigned long int hostlong)

函數(shù)功能 ：

將參數(shù)指定的32位主機(host)字符順序轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)(net)字符順序；

hostlong：待轉(zhuǎn)換的32位主機字符順序數(shù)

返回值 ：

返回對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)字符順序數(shù)；

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)主機：

• ntohs()函數(shù)：

所需要頭文件 ：

#include

函數(shù)格式 ：

unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort)

函數(shù)功能 ：

將參數(shù)指定的16位網(wǎng)絡(luò)(net)字符順序轉(zhuǎn)換成主機(host)字符順序；

netshort：待轉(zhuǎn)換的16位網(wǎng)絡(luò)字符順序數(shù)

返回值 ：

返回對應(yīng)的主機字符順序數(shù)；

• ntohl()函數(shù)：

所需要頭文件 ：

#include

函數(shù)格式 ：

unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong)

函數(shù)功能 ：

將參數(shù)指定的32位網(wǎng)絡(luò)(net)字符順序轉(zhuǎn)換成主機(host)字符順序；

netshort：待轉(zhuǎn)換的32位網(wǎng)絡(luò)字符順序數(shù)

返回值 ：

返回對應(yīng)的主機字符順序數(shù)；

3.TCP

TCP有專門的傳遞保證機制，收到數(shù)據(jù)時會自動發(fā)送確認(rèn)消息，發(fā)送方收到確認(rèn)消息后才會繼續(xù)發(fā)送消息，否則繼續(xù)等待。

這樣的好處是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是可靠的，此外它是有連接的傳輸，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)傳輸都是用的TCP。

3.1 TCP流程圖

3.2 TCP步驟分析

程序分為服務(wù)器端和客戶機端，先從服務(wù)器端開始分析。

• 服務(wù)器端:

  a. 創(chuàng)建socket

1    sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//AF_INET:IPV4;SOCK_STREAM:TCP
2    if (-1 == sock_fd)
3    {
4        fprintf(stderr,"socket error:%s\\n\\a", strerror(errno));
5        exit(1);
6    }

所需要頭文件 ：

#include

#include

函數(shù)格式 ：

int socket(int domain, int type, int protocol);

函數(shù)功能 ：

創(chuàng)建一個套接字；

domain:協(xié)議域(族)， 決定了套接字的地址類型 ，例如AF_INET決定了要用IPv4地址(32位)與端口號(16位)的組合。常見的協(xié)議族有： AF_INET 、AF_INET6、AF_LOCAL(或稱AF_UNIX)、AF_ROUTE等；

type： 指定套接字類型 ， SOCK_STREAM (TCP)、 SOCK_DGRAM (UDP)、SOCK_RAW

protocol:指定socket所使用的傳輸協(xié)議編號，通常為0

返回值 ：

若成功，返回一個套接字描述符，否則返回-1；

Socket就是一種文件描述符，和普通的打開文件一樣，需要檢測其返回結(jié)果。

b. 設(shè)置socket

1    memset(&server_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));//clear
2    server_addr.sin_family = AF_INET;
3    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//INADDR_ANY:This machine all IP
4    server_addr.sin_port = htons(PORT_NUMBER);

設(shè)置何種協(xié)議族，設(shè)置本機IP和端口，也就有了唯一性。

c. 綁定socket

1    ret = bind(sock_fd, (struct sockaddr *)(&server_addr), sizeof(struct sockaddr));
2    if(-1 == ret)
3    {
4        fprintf(stderr,"bind error:%s\\n\\a", strerror(errno));
5        close(sock_fd);
6        exit(1);
7    }

所需要頭文件 ：

#include

#include

函數(shù)格式 ：

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

函數(shù)功能 ：

把套接字綁定到本地計算機的某一個端口上；

sockfd:待綁定的套接字描述符

addr：一個struct sockaddr *指針，指定要綁定給sockfd的協(xié)議地址。內(nèi)容結(jié)構(gòu)由前面的協(xié)議族決定。

addrlen:地址的長度

返回值 ：

若成功，返回0，否則返回-1，錯誤信息存在errno中；

d. 開始監(jiān)聽

1    ret = listen(sock_fd, BACKLOG);
2    if (-1 == ret)
3    {
4        fprintf(stderr,"listen error:%s\\n\\a", strerror(errno));
5        close(sock_fd);
6        exit(1);
7    }

所需要頭文件 ：

#include

#include

函數(shù)格式 ：

int listen(int sockfd, int backlog);

函數(shù)功能 ：

使服務(wù)器的這個端口和IP處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待網(wǎng)絡(luò)中某一客戶機的連接請求，最大連接數(shù)量為backlog≤128；

sockfd:待監(jiān)聽的套接字描述符

backlog：最大可監(jiān)聽和連接的客戶端數(shù)量

返回值 ：

若成功，返回0，否則返回-1；

e. 阻塞，等待連接

1        addr_len = sizeof(struct sockaddr);
2        new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
3        if (-1 == new_fd)
4        {
5            fprintf(stderr,"accept error:%s\\n\\a", strerror(errno));
6            close(sock_fd);
7            exit(1);
8        }

1

所需要頭文件 ：

#include

#include

函數(shù)格式 ：

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

函數(shù)功能 ：

接受連接請求，建立起與客戶機之間的通信連接。服務(wù)器處于監(jiān)聽狀態(tài)時，如果某時刻獲得客戶機的連接請求，此時并不是立即處理這個請求，而是將這個請求放在等待隊列中，當(dāng)系統(tǒng)空閑時再處理客戶機的連接請求；

當(dāng)accept函數(shù)接受一個連接時，會返回一個新的socket標(biāo)識符，以后的數(shù)據(jù)傳輸和讀取就要通過這個新的socket編號來處理，原來參數(shù)中的socket也可以繼續(xù)使用，繼續(xù)監(jiān)聽其它客戶機的連接請求；

accept連接成功時，參數(shù)addr所指的結(jié)構(gòu)體會填入所連接機器的地址數(shù)據(jù)；

sockfd:待監(jiān)聽的套接字描述符

addr:指向struct sockaddr的指針，用于返回客戶端的協(xié)議地址

addrlen:協(xié)議地址的長度

返回值 ：

若成功，返回一個由內(nèi)核自動生成的一個全新描述字，代表與返回客戶的TCP連接，否則返回-1，錯誤信息存在errno中；

f. 接收數(shù)據(jù)

1    recv_len = recv(new_fd, recv_buf, 999, 0);
 2    if (recv_len <= 0)
 3    {
 4        fprintf(stderr, "recv error:%s\\n\\a", strerror(errno))；
 5        close(new_fd);    
 6        exit(1);
 7    }
 8    else
 9    {
10        recv_buf[recv_len] = '\\0';
11        printf("Get msg from client%d: %s\\n", client_num, recv_buf);
12    }

所需要頭文件 ：

#include

#include

函數(shù)格式 ：

int recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

函數(shù)功能 ：

用新的套接字來接收遠(yuǎn)端主機傳來的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存到由參數(shù)buf指向的內(nèi)存空間；

sockfd:sockfd為前面accept的返回值，即new_fd，也就是新的套接字

buf:指明一個緩沖區(qū)

len:指明緩沖區(qū)的長度

flags:通常為0

返回值 ：

若成功，返回接收到的字節(jié)數(shù)，另一端已關(guān)閉則返回0，否則返回-1，錯誤信息存在errno中；

g. 關(guān)閉socket

1    close(sock_fd);
2    exit(0);

為了應(yīng)對多個連接，并保證它們之間相互獨立，實際編程中往往還要加入多進程fork()。

讓子進程接收數(shù)據(jù)，父進程繼續(xù)監(jiān)聽新的連接。

• 客戶機端:

a. 創(chuàng)建socket

1    sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//AF_INET:IPV4;SOCK_STREAM:TCP
2    if (-1 == sock_fd)
3    {
4        fprintf(stderr,"socket error:%s\\n\\a", strerror(errno));
5        exit(1);
6    }

b. 設(shè)置socket

1    memset(&server_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));//clear
2    server_addr.sin_family = AF_INET;
3    server_addr.sin_port = htons(PORT_NUMBER);

其中注意的是，這里設(shè)置的socket內(nèi)容是指 希望連接的服務(wù)器IP和端口號信息，IP地址來自用戶的輸入，并轉(zhuǎn)換格式得到。因此，這里的設(shè)置和服務(wù)器的設(shè)置，要保持內(nèi)容上的一致。

1    ret = inet_aton(argv[1], &server_addr.sin_addr);
2    if(0 == ret)
3    {
4        fprintf(stderr,"server_ip error.\\n");
5        close(sock_fd);
6        exit(1);
7    }

c. 連接

1    ret = connect(sock_fd, (const struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr));    
2    if (-1 == ret)
3    {
4        fprintf(stderr,"connect error:%s\\n\\a", strerror(errno));
5        close(sock_fd);
6        exit(1);
7    }