Linux网络编程.docx

Linux网络编程.docx

《Linux网络编程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Linux网络编程.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

Linux网络编程

TCP/IP协议概述

1.1 OSI参考模型及TCP/IP参考模型

大家一定都听说过著名的OSI协议参考模型，它是基于国际标准化组织（ISO）的建议发展起来的，从上到下共分为7层：

应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层及物理层。

这个7层的协议模型虽然规定得非常细致和完善，但在实际中却得不到广泛的应用，其重要的原因之一就在于它过于复杂。

但它仍是此后很多协议模型的基础，这种分层架构的思想在很多领域都得到了广泛的应用。

与此相区别的TCP/IP协议模型从一开始就遵循简单明确的设计思路，它将TCP/IP的7层协议模型简化为4层，从而更有利于实现和使用。

TCP/IP的协议参考模型和OSI协议参考模型的对应关系如图10.1所示。

图10.1 OSI模型和TCP/IP参考模型对应关系

下面分别对TCP/IP的4层模型进行简要介绍。

网络接口层：

负责将二进制流转换为数据帧，并进行数据帧的发送和接收。

要注意的是数据帧是独立的网络信息传输单元。

网络层：

负责将数据帧封装成IP数据包，并运行必要的路由算法。

传输层：

负责端对端之间的通信会话连接与建立。

传输协议的选择根据数据传输方式而定。

应用层：

负责应用程序的网络访问，这里通过端口号来识别各个不同的进程。

1.2 TCP/IP协议族

虽然TCP/IP名称只包含了两个协议，但实际上，TCP/IP是一个庞大的协议族，它包括了各个层次上的众多协议，图2列举了各层中一些重要的协议，并给出了各个协议在不同层次中所处的位置，如下所示。

图2 TCP/IP协议族

ARP：

用于获得同一物理网络中的硬件主机地址。

MPLS：

多协议标签协议，是很有发展前景的下一代网络协议。

IP：

负责在主机和网络之间寻址和路由数据包。

ICMP：

用于发送有关数据包的传送错误的协议。

IGMP：

被IP主机用来向本地多路广播路由器报告主机组成员的协议。

TCP：

为应用程序提供可靠的通信连接。

适合于一次传输大批数据的情况。

并适用于要求得到响应的应用程序。

UDP：

提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠性保证。

适合于一次传输少量数据，可靠性则由应用层来负责。

1.3 TCP和UDP

在此主要介绍在网络编程中涉及的传输层TCP和UDP协议。

1．TCP

（1）概述

同其他任何协议栈一样，TCP向相邻的高层提供服务。

因为TCP的上一层就是应用层，因此，TCP数据传输实现了从一个应用程序到另一个应用程序的数据传递。

应用程序通过编程调用TCP并使用TCP服务，提供需要准备发送的数据，用来区分接收数据应用的目的地址和端口号。

通常应用程序通过打开一个socket来使用TCP服务，TCP管理到其他socket的数据传递。

可以说，通过IP的源/目的可以惟一地区分网络中两个设备的连接，通过socket的源/目的可以惟一地区分网络中两个应用程序的连接。

（2）三次握手协议

TCP对话通过三次握手来进行初始化。

三次握手的目的是使数据段的发送和接收同步，告诉其他主机其一次可接收的数据量，并建立虚连接。

下面描述了这三次握手的简单过程。

初始化主机通过一个同步标志置位的数据段发出会话请求。

接收主机通过发回具有以下项目的数据段表示回复：

同步标志置位、即将发送的数据段的起始字节的顺序号、应答并带有将收到的下一个数据段的字节顺序号。

请求主机再回送一个数据段，并带有确认顺序号和确认号。

图3 TCP三次握手协议

TCP实体所采用的基本协议是滑动窗口协议。

当发送方传送一个数据报时，它将启动计时器。

当该数据报到达目的地后，接收方的TCP实体往回发送一个数据报，其中包含有一个确认序号，它表示希望收到的下一个数据包的顺序号。

如果发送方的定时器在确认信息到达之前超时，那么发送方会重发该数据包。

图3就是这个流程的简单示意图。

（3）TCP数据包头。

图4给出了TCP数据包头的格式。

TCP数据包头的含义如下所示。

图4 TCP数据包头的格式

源端口、目的端口：

16位长。

标识出远端和本地的端口号。

序号：

32位长。

标识发送的数据报的顺序。

确认号：

32位长。

希望收到的下一个数据包的序列号。

TCP头长：

4位长。

表明TCP头中包含多少个32位字。

      6位未用。

ACK：

ACK位置1表明确认号是合法的。

如果ACK为0，那么数据报不包含确认信息，确认字段被省略。

PSH：

表示是带有PUSH标志的数据。

接收方因此请求数据包一到便将其送往应用程序而不必等到缓冲区装满时才传送。

RST：

用于复位由于主机崩溃或其他原因而出现的错误连接。

还可以用于拒绝非法的数据包或拒绝连接请求。

SYN：

用于建立连接。

FIN：

用于释放连接。

窗口大小：

16位长。

窗口大小字段表示在确认了字节之后还可以发送多少个字节。

校验和：

16位长。

是为了确保高可靠性而设置的。

它校验头部、数据和伪TCP头部之和。

可选项：

0个或多个32位字。

包括最大TCP载荷，滑动窗口比例以及选择重发数据包等选项。

2．UDP

（1）概述

UDP即用户数据报协议，它是一种无连接协议，因此不需要像TCP那样通过三次握手来建立一个连接。

同时，一个UDP应用可同时作为应用的客户或服务器方。

由于UDP协议并不需要建立一个明确的连接，因此建立UDP应用要比建立TCP应用简单得多。

UDP协议从问世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但是在网络质量越来越高的今天，UDP的应用得到了大大的增强。

它比TCP协议更为高效，也能更好地解决实时性的问题。

如今，包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都使用UDP协议。

（2）UDP数据报头。

      UDP数据报头如下图5所示。

图5 UDP数据报头

源地址、目的地址：

16位长。

标识出远端和本地的端口号。

数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总的字节数。

因为报头的长度是固定的，所以该域主要用来计算可变长度的数据部分（又称为数据负载）。

3．协议的选择

协议的选择应该考虑到以下3个方面。

（1）对数据可靠性的要求

对数据要求高可靠性的应用需选择TCP协议，如验证、密码字段的传送都是不允许出错的，而对数据的可靠性要求不那么高的应用可选择UDP传送。

（2）应用的实时性

TCP协议在传送过程中要使用三次握手、重传确认等手段来保证数据传输的可靠性。

使用TCP协议会有较大的时延，因此不适合对实时性要求较高的应用，如VOIP、视频监控等。

相反，UDP协议则在这些应用中能发挥很好的作用。

（3）网络的可靠性

由于TCP协议的提出主要是解决网络的可靠性问题，它通过各种机制来减少错误发生的概率。

因此，在网络状况不是很好的情况下需选用TCP协议（如在广域网等情况），但是若在网络状况很好的情况下（如局域网等）就不需要再采用TCP协议，而建议选择UDP协议来减少网络负荷。

2 网络基础编程

2.1 socket概述

1．socket定义

在Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的。

人们常说的socket是一种特殊的I/O接口，它也是一种文件描述符。

socket是一种常用的进程之间通信机制，通过它不仅能实现本地机器上的进程之间的通信，而且通过网络能够在不同机器上的进程之间进行通信。

  每一个socket都用一个半相关描述{协议、本地地址、本地端口}来表示；一个完整的套接字则用一个相关描述{协议、本地地址、本地端口、远程地址、远程端口}来表示。

socket也有一个类似于打开文件的函数调用，该函数返回一个整型的socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过socket来实现的。

2．socket类型

  常见的socket有3种类型如下。

（1）流式socket（SOCK_STREAM）。

  流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流；它使用TCP协议，从而保证了数据传输的正确性和顺序性。

（2）数据报socket（SOCK_DGRAM）。

  数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。

它使用数据报协议UDP。

（3）原始socket。

原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP进行直接访问，它功能强大但使用较为不便，主要用于一些协议的开发。

2.2 地址及顺序处理

1．地址结构相关处理

（1）数据结构介绍。

 下面首先介绍两个重要的数据类型：

sockaddr和sockaddr_in，这两个结构类型都是用来保存socket信息的，如下所示：

structsockaddr

{

unsignedshortsa_family;/*地址族*/

charsa_data[14];/*14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号。

*/

};

structsockaddr_in

{

shortintsa_family;/*地址族*/

unsignedshortintsin_port;/*端口号*/

structin_addrsin_addr;/*IP地址*/

unsignedcharsin_zero[8];/*填充0以保持与structsockaddr同样大小*/

};

这两个数据类型是等效的，可以相互转化，通常sockaddr_in数据类型使用更为方便。

在建立socketadd或sockaddr_in后，就可以对该socket进行适当的操作了。

（2）结构字段。

表1列出了该结构sa_family字段可选的常见值。

表1

结构定义头文件

#include

sa_family

AF_INET：

IPv4协议

AF_INET6：

IPv6协议

AF_LOCAL：

UNIX域协议

AF_LINK：

链路地址协议

AF_KEY：

密钥套接字（socket）

sockaddr_in其他字段的含义非常清楚，具体的设置涉及其他函数，在后面会有详细的讲解。

2．数据存储优先顺序

（1）函数说明。

计算机数据存储有两种字节优先顺序：

高位字节优先（称为大端模式）和低位字节优先（称为小端模式，PC机通常采用小端模式）。

Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，因此在有些情况下，需要对这两个字节存储优先顺序进行相互转化。

这里用到了4个函数：

htons（）、ntohs（）、htonl（）和ntohl（）。

这4个地址分别实现网络字节序和主机字节序的转化，这里的h代表host，n代表network，s代表short，l代表long。

通常16位的IP端口号用s代表，而IP地址用l来代表。

（2）函数格式说明。

表2列出了这4个函数的语法格式。

表2htons等函数语法要点

所需头文件

#include

函数原型

uint16_thtons（unit16_thost16bit）

uint32_thtonl（unit32_thost32bit）

uint16_tntohs（unit16_tnet16bit）

uint32_tntohs（unit32_tnet32bit）

函数传入值

host16bit：

主机字节序的16位数据

host32bit：

主机字节序的32位数据

net16bit：

网络字节序的16位数据

net32bit：

网络字节序的32位数据

函数返回值

成功：

返回要转换的字节序

出错：

-1

注意

调用该函数只是使其得到相应的字节序，用户不需清楚该系统的主机字节序和网络字节序是否真正相等。

如果是相同不需要转换的话，该系统的这些函数会定义成空宏。

3．地址格式转化

（1）函数说明。

通常用户在表达地址时采用的是点分十进制表示的数值（或者是以冒号分开的十进制IPv6地址），而在通常使用的socket编程中所使用的则是二进制值，这就需要将这两个数值进行转换。

这里在IPv4中用到的函数有inet_aton（）、inet_addr（）和inet_ntoa（），而IPv4和IPv6兼容的函数有inet_pton（）和inet_ntop（）。

由于IPv6是下一代互联网的标准协议，因此，本书讲解的函数都能够同时兼容IPv4和IPv6，但在具体举例时仍以IPv4为例。

这里inet_pton（）函数是将点分十进制地址映射为二进制地址，而inet_ntop（）是将二进制地址映射为点分十进制地址。

（2）函数格式。

表3列出了inet_pton函数的语法要点。

所需头文件

#include

函数原型

intinet_pton（intfamily,constchar*strptr,void*addrptr）

函数传入值

family

AF_INET：

IPv4协议

AF_INET6：

IPv6协议

strptr：

要转化的值

addrptr：

转化后的地址

函数返回值

成功：

0

出错：

-1

表4列出了inet_ntop函数的语法要点。

所需头文件

#include

函数原型

intinet_ntop（intfamily,void*addrptr,char*strptr,size_tlen）

函数传入值

family

AF_INET：

IPv4协议

AF_INET6：

IPv6协议

函数传入值

addrptr：

转化后的地址

strptr：

要转化的值

len：

转化后值的大小

函数返回值

成功：

0

出错：

-1

4．名字地址转化

（1）函数说明。

通常，人们在使用过程中都不愿意记忆冗长的IP地址，尤其到IPv6时，地址长度多达128位，那时就更加不可能一次次记忆那么长的IP地址了。

因此，使用主机名将会是很好的选择。

在Linux中，同样有一些函数可以实现主机名和地址的转化，最为常见的有gethostbyname（）、gethostbyaddr（）和getaddrinfo（）等，它们都可以实现IPv4和IPv6的地址和主机名之间的转化。

其中gethostbyname（）是将主机名转化为IP地址，gethostbyaddr（）则是逆操作，是将IP地址转化为主机名，另外getaddrinfo（）还能实现自动识别IPv4地址和IPv6地址。

gethostbyname（）和gethostbyaddr（）都涉及一个hostent的结构体，如下所示：

 structhostent

{

 char*h_name;/*正式主机名*/

 char**h_aliases;/*主机别名*/

 inth_addrtype;/*地址类型*/

 inth_length;/*地址字节长度*/

 char**h_addr_list;/*指向IPv4或IPv6的地址指针数组*/

}

调用gethostbyname（）函数或gethostbyaddr（）函数后就能返回hostent结构体的相关信息。

getaddrinfo（）函数涉及一个addrinfo的结构体，如下所示：

structaddrinfo

{

      intai_flags;/*AI_PASSIVE,AI_CANONNAME;*/

      intai_family;/*地址族*/

      intai_socktype;/*socket类型*/

      intai_protocol;/*协议类型*/

      size_tai_addrlen;/*地址字节长度*/

      char*ai_canonname;/*主机名*/

      structsockaddr*ai_addr;/*socket结构体*/

      structaddrinfo*ai_next;/*下一个指针链表*/

}

 hostent结构体而言，addrinfo结构体包含更多的信息。

（2）函数格式。

表5列出了gethostbyname（）函数的语法要点。

所需头文件

#include

函数原型

structhostent*gethostbyname（constchar*hostname）

函数传入值

hostname：

主机名

函数返回值

成功：

hostent类型指针

出错：

-1

调用该函数时可以首先对hostent结构体中的h_addrtype和h_length进行设置，若为IPv4可设置为AF_INET和4；若为IPv6可设置为AF_INET6和16；若不设置则默认为IPv4地址类型。

表6列出了getaddrinfo（）函数的语法要点。

所需头文件

#include

函数原型

intgetaddrinfo（constchar*node,constchar*service,conststructaddrinfo*hints,structaddrinfo**result）

函数传入值

node：

网络地址或者网络主机名

service：

服务名或十进制的端口号字符串

hints：

服务线索

result：

返回结果

函数返回值

成功：

0

出错：

-1

在调用之前，首先要对hints服务线索进行设置。

它是一个addrinfo结构体，表7列举了该结构体常见的选项值。

结构体头文件

#include

ai_flags

AI_PASSIVE：

该套接口是用作被动地打开

AI_CANONNAME：

通知getaddrinfo函数返回主机的名字

ai_family

AF_INET：

IPv4协议

AF_INET6：

IPv6协议

AF_UNSPEC：

IPv4或IPv6均可

ai_socktype

SOCK_STREAM：

字节流套接字socket（TCP）

SOCK_DGRAM：

数据报套接字socket（UDP）

ai_protocol

IPPROTO_IP：

IP协议

IPPROTO_IPV4：

IPv4协议

4

IPv4

IPPROTO_IPV6：

IPv6协议

IPPROTO_UDP：

UDP

IPPROTO_TCP：

TCP

注意

（1）通常服务器端在调用getaddrinfo（）之前，ai_flags设置AI_PASSIVE，用于bind（）函数（用于端口和地址的绑定，后面会讲到），主机名nodename通常会设置为NULL。

（2）客户端调用getaddrinfo（）时，ai_flags一般不设置AI_PASSIVE，但是主机名nodename和服务名servname（端口）则应该不为空。

（3）即使不设置ai_flags为AI_PASSIVE，取出的地址也可以被绑定，很多程序中ai_flags直接设置为0，即3个标志位都不设置，这种情况下只要hostname和servname设置的没有问题就可以正确绑定。

（3）使用实例。

下面的实例给出了getaddrinfo函数用法的示例，在后面小节中会给出gethostbyname函数用法的例子。

/*getaddrinfo.c*/

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

intmain（）

{

    structaddrinfohints,*res=NULL;

    intrc;

    memset（&hints,0,sizeof（hints））;

    /*设置addrinfo结构体中各参数*/

    hints.ai_flags=AI_CANONNAME;

    hints.ai_family=AF_UNSPEC;

    hints.ai_socktype=SOCK_DGRAM;

    hints.ai_protocol=IPPROTO_UDP;

    /*调用getaddinfo函数*/

    rc=getaddrinfo（"localhost",NULL,&hints,&res）;

    if（rc!

=0）

    {

         perror（"getaddrinfo"）;

         exit

（1）;

    }

    else

    {

         printf（"Hostnameis%s\n",res->ai_canonname）;

    }

    exit（0）;

}

2.3 socket基础编程

（1）函数说明。

socket编程的基本函数有socket（）、bind（）、listen（）、accept（）、send（）、sendto（）、recv（）以及recvfrom（）等，其中根据客户端还是服务端，或者根据使用TCP协议还是UDP协议，这些函数的调用流程都有所区别，这里先对每个函数进行说明，再给出各种情况下使用的流程图。

  socket（）：

该函数用于建立一个socket连接，可指定socket类型等信息。

在建立了socket连接之后，可对sockaddr或sockaddr_in结构进行初始化，以保存所建立的socket地址信息。

  bind（）：

该函数是用于将本地IP地址绑定到端口号，若绑定其他IP地址则不能成功。

另外，它主要用于TCP的连接，而在UDP的连接中则无必要。

  listen（）：

在服务端程序成功建立套接字和与地址进行绑定之后，还需要准备在该套接字上接收新的连接请求。

此时调用listen（）函数来创建一个等待队列，在其中存放未处理的客户端连接请求。

  accept（）：

服务端程序调用listen（）函数创建等待队列之后，调用accept（）函数等待并接收客户端的连接请求。

它通常从由bind（）所创建的等待队列中取出第一个未处理的连接请求。

  connect（）：

该函数在TCP中是用于bind（）的之后的client端，用于与服务器端建立连接，而在UDP中由于没有了bind（）函数，因此用connect（）有点类似bind（）函数的作用。

  send（）和recv（）：

这两个函数分别用于发送和接收数据，可以用在TCP中，也可以用在UDP中。

当用在UDP时，可以在connect（）函数建立连接之后再用。

  sendto（）和recvfrom（）：

这两个函数的作用与send（）和recv（）函数类似，也可以用在TCP和UDP中。

当用在TCP时，后面的几个与地址有关参数不起作用，函数作用等同于send（）和recv（）；当用在UDP时，可以用在之前没有使用connect（）的情况下，这两个函数可以自动寻找指定地址并进行连接。

服务器端和客户端使用TCP协议的流程如图6所示。

服务器端和客户端使用UDP协议的流程如图7所示。

图6 使用TCP协议socket编程流程图