Linux C++：网络编程

以前学C语言时学过，现在学C++时可以复习，重新巩固下基础知识。

什么是套接字:

TCP用主机的IP地址加上主机上的端口号作为TCP连接的端点，这种端点就叫做套接字（socket）或插口。套接字用（IP地址：端口号）表示。

套接字分类:

流式套接字（SOCK_STREAM）：流式套接字用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务将保证数据能够实现无差错、无重复发送，并按顺序接收。流式套接字之所以能够实现可靠的数据服务，原因在于其使用了传输控制协议，即TCP（The Transmission Control Protocol）协议。
数据报套接字（SOCK_DGRAM）：数据报套接字提供了一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的可靠性，数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP（User Datagram Protocol）协议进行数据的传输。由于数据报套接字不能保证数据传输的可靠性，对于有可能出现的数据丢失情况，需要在程序中做相应的处理。
原始套接字（SOCK_RAW）：原始套接字(SOCKET_RAW)允许对较低层次的协议直接访问，比如IP、 ICMP协议，它常用于检验新的协议实现，或者访问现有服务中配置的新设备，因为RAW SOCKET可以自如地控制Windows下的多种协议，能够对网络底层的传输机制进行控制，所以可以应用原始套接字来操纵网络层和传输层应用。比如，我们可以通过RAW SOCKET来接收发向本机的ICMP、IGMP协议包，或者接收TCP/IP栈不能够处理的IP包，也可以用来发送一些自定包头或自定协议的IP包。网络监听技术很大程度上依赖于SOCKET_RAW。

网络通信一般使用CS模式连接。

网络模型架构：

TCP/UDP属于传输层。

TCP网络通信：

TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议（UDP）是同一层内 [1] 另一个重要的传输协议。在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。

通信流程图如下

TCP三次握手建立连接:

第一次握手：客户端发送syn包(seq=x)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认;
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN(ack=x+1)，同时自己也发送一个SYN包(seq=y)，即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态;
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

TCP四次握手断开连接:

第一次握手：主动关闭方发送一个FIN，用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送，也就是主动关闭方告诉被动关闭方：我已经不会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，主动关闭方依然会重发这些数据)，但此时主动关闭方还可以接受数据。
第二次握手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号+1(与SYN相同，一个FIN占用一个序号)。
第三次握手：被动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送，也就是告诉主动关闭方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。
第四次握手：主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+1，至此，完成四次挥手。

代码示例服务端(使用了select 模式，目前只可以进行一对一连接，如果想一对多的话，添加多线程即可)

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

#define SERVER_PORT 6555

int main() {
    fd_set rfds;
    struct timeval tv;
    int retval, maxfd;     //选择器


    /*创建socket*/
    int ss = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   //AF_INET   IPV4   ;SOCK_STREAM   TCP
    struct sockaddr_in server_sockaddr;
    server_sockaddr.sin_family = AF_INET;
    server_sockaddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    server_sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    /*bind*/
    if(bind(ss, (struct sockaddr* ) &server_sockaddr, sizeof(server_sockaddr))==-1) {
        perror("bind");
        exit(1);
    }
    /*listen*/
    if(listen(ss, 5) == -1) {
        perror("listen");
        exit(1);
    }
    /*connect*/
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t length = sizeof(client_addr);
    ///成功返回非负描述字，出错返回-1
    int conn = accept(ss, (struct sockaddr*)&client_addr, &length);   //目测需要客户端部分的addr
    if( conn < 0 ) {
        perror("connect");
        exit(1);
    }
    while(1) {
        /*把可读文件描述符的集合清空*/
        FD_ZERO(&rfds);
        /*把标准输入的文件描述符加入到集合中*/
        FD_SET(0, &rfds);
        maxfd = 0;
        /*把当前连接的文件描述符加入到集合中*/
        FD_SET(conn, &rfds);
        /*找出文件描述符集合中最大的文件描述符*/
        if(maxfd < conn)
            maxfd = conn;
        /*设置超时时间*/
        tv.tv_sec = 5;
        tv.tv_usec = 0;
        /*等待聊天*/
        retval = select(maxfd+1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
        if(retval == -1){
            printf("select出错，客户端程序退出\n");
            break;
        }else if(retval == 0){
            printf("服务端没有任何输入信息，并且客户端也没有信息到来，waiting...\n");
            continue;
        }else{
            /*客户端发来了消息*/
            if(FD_ISSET(conn,&rfds)){
                char buffer[1024];
                memset(buffer, 0 ,sizeof(buffer));
                int len = recv(conn, buffer, sizeof(buffer), 0);
                if(strcmp(buffer, "exit\n") == 0) break;
                printf("%s", buffer);
                //send(conn, buffer, len , 0);把数据回发给客户端
            }
            /*用户输入信息了,开始处理信息并发送*/
            if(FD_ISSET(0, &rfds)){
                char buf[1024];
                fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
                //printf("you are send %s", buf);
                send(conn, buf, sizeof(buf), 0);
            }
        }
    }
    close(conn);
    close(ss);
    return 0;
}

客户端：

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

#define MYPORT  6555
#define BUFFER_SIZE 1024
int main()
{
    int sock_cli;
    fd_set rfds;
    struct timeval tv;
    int retval, maxfd;

    ///定义sockfd
    sock_cli = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
    ///定义sockaddr_in
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(MYPORT);  ///服务器端口
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  ///服务器ip

    //连接服务器，成功返回0，错误返回-1
    while (connect(sock_cli, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
    {
        perror("connect");
        exit(1);
    }

    while(1){
        /*把可读文件描述符的集合清空*/
        FD_ZERO(&rfds);
        /*把标准输入的文件描述符加入到集合中*/
        FD_SET(0, &rfds);
        maxfd = 0;
        /*把当前连接的文件描述符加入到集合中*/
        FD_SET(sock_cli, &rfds);
        /*找出文件描述符集合中最大的文件描述符*/
        if(maxfd < sock_cli)
            maxfd = sock_cli;
        /*设置超时时间*/
        tv.tv_sec = 5;
        tv.tv_usec = 0;
        /*等待聊天*/
        retval = select(maxfd+1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
        if(retval == -1){
            printf("select出错，客户端程序退出\n");
            break;
        }else if(retval == 0){
            printf("客户端没有任何输入信息，并且服务器也没有信息到来，waiting...\n");
            continue;
        }else{
            /*服务器发来了消息*/
            if(FD_ISSET(sock_cli,&rfds)){
                char recvbuf[BUFFER_SIZE];
                int len;
                len = recv(sock_cli, recvbuf, sizeof(recvbuf),0);
                printf("%s", recvbuf);
                memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
            }
            /*用户输入信息了,开始处理信息并发送*/
            if(FD_ISSET(0, &rfds)){
                char sendbuf[BUFFER_SIZE];
                fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin);
                send(sock_cli, sendbuf, strlen(sendbuf),0); //发送
                memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
            }
        }
    }

    close(sock_cli);
    return 0;
}

UDP网络通信：

UDP 是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。使用UDP可进行单播、广播、组播。

UDP网络通信流程图：

示例代码服务端

#include <stdio.h>  
#include <iostream> 
#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>   
#include <netinet/in.h>   
#include <unistd.h>   
#include <errno.h>   
#include <string.h>   
#include <stdlib.h>   
  
#define SERV_PORT   8000   
  
int main()  
{  
  /* sock_fd --- socket文件描述符 创建udp套接字*/  
  int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  if(sock_fd < 0)  
  {  
    perror("socket");  
    exit(1);  
  }  
  
  /* 将套接字和IP、端口绑定 */  
  struct sockaddr_in addr_serv;  
  int len;  
  memset(&addr_serv, 0, sizeof(struct sockaddr_in));  //每个字节都用0填充
  addr_serv.sin_family = AF_INET;//使用IPV4地址
  addr_serv.sin_port = htons(SERV_PORT);//端口
  /* INADDR_ANY表示不管是哪个网卡接收到数据，只要目的端口是SERV_PORT，就会被该应用程序接收到 */  
  addr_serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //自动获取IP地址
  len = sizeof(addr_serv);  
    
  /* 绑定socket */  
  if(bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&addr_serv, sizeof(addr_serv)) < 0)  
  {  
    perror("bind error:");  
    exit(1);  
  }  
  
    
  int recv_num;  
  int send_num;  
  char send_buf[20] = "i am server!";  
  char recv_buf[20];  
  struct sockaddr_in addr_client;  
  
  while(1)  
  {  
    printf("server wait:\n");  
      
    recv_num = recvfrom(sock_fd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0, (struct sockaddr *)&addr_client, (socklen_t *)&len);  
      
    if(recv_num < 0)  
    {  
      perror("recvfrom error:");  
      exit(1);  
    }  
  
    recv_buf[recv_num] = '\0';  
    printf("server receive %d bytes: %s\n", recv_num, recv_buf);  
  
    send_num = sendto(sock_fd, send_buf, recv_num, 0, (struct sockaddr *)&addr_client, len);  
      
    if(send_num < 0)  
    {  
      perror("sendto error:");  
      exit(1);  
    }  
  }  
    
  close(sock_fd);  
    
  return 0;  
}

客户端

#include <stdio.h>   
#include <string.h>   
#include <errno.h>   
#include <stdlib.h>   
#include <unistd.h>   
#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>   
#include <netinet/in.h>   
#include <arpa/inet.h>   
#include <iostream>   
  
#define DEST_PORT 8000   
#define DSET_IP_ADDRESS  "127.0.0.1"   
   
  
int main()  
{  
  /* socket文件描述符 */  
  int sock_fd;  
  
  /* 建立udp socket */  
  sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  
  if(sock_fd < 0)  
  {  
    perror("socket");  
    exit(1);  
  }  
    
  /* 设置address */  
  struct sockaddr_in addr_serv;  
  int len;  
  memset(&addr_serv, 0, sizeof(addr_serv));  
  addr_serv.sin_family = AF_INET;  
  addr_serv.sin_addr.s_addr = inet_addr(DSET_IP_ADDRESS);  
  addr_serv.sin_port = htons(DEST_PORT);  
  len = sizeof(addr_serv);  
  
    
  int send_num;  
  int recv_num;  
  char send_buf[20] = "hey, who are you?";  
  char recv_buf[20];  
      
  printf("client send: %s\n", send_buf);  
    
  send_num = sendto(sock_fd, send_buf, strlen(send_buf), 0, (struct sockaddr *)&addr_serv, len);  
    
  if(send_num < 0)  
  {  
    perror("sendto error:");  
    exit(1);  
  }  
    
  recv_num = recvfrom(sock_fd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0, (struct sockaddr *)&addr_serv, (socklen_t *)&len);  
    
  if(recv_num < 0)  
  {  
    perror("recvfrom error:");  
    exit(1);  
  }  
    
  recv_buf[recv_num] = '\0';  
  printf("client receive %d bytes: %s\n", recv_num, recv_buf);  
    
  close(sock_fd);  
    
  return 0;  
}

关于UDP广播组播相关示例待续...

参考：

http://www.cnblogs.com/zkfopen/p/9382705.html

https://www.cnblogs.com/wuyepeng/p/9737583.html

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日常筆記(1)：Ubuntu系統固定USB設備節點名

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https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

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