[C++ 网络协议] 套接字和地址族、数据序列

目录

1. 套接字

1.1 在Linux平台下构建套接字

1.1.1 用于接听的套接字(服务器端套接字)

1.1.2 用于发送请求的套接字(客户端套接字)

1.2 在Windows平台下构建套接字

1.2.1 Winsock的初始化

1.2.2 用于接听的套接字(服务器端套接字)

1.2.3 用于发送请求的套接字(客户端套接字)

1.3 Linux和Windows套接字的区别

1.4 套接字特性

1.4.1 socket函数

1.4.1.1 协议族信息（domain形参）

1.4.1.2  套接字类型（Type形参）

1.4.1.2.1 面向连接的套接字（SOCK_STREAM）

1.4.1.2.2 面向消息的套接字（SOCK_DGRAM）

1.4.1.3 协议的最终选择（protocol形参）

2. 地址族和数据序列

2.1 网络地址

2.1.1 IPv4（常用）

2.1.1.1 网络地址和主机地址

2.1.2 端口号

2.1.3 bind函数

2.1.3.1 sockaddr_in结构体

2.1.4 网络字节序

2.1.5 字节序转换

2.1.6 网络地址的初始化和分配

2.1.6.1 inet_addr函数

2.1.6.2 inet_aton函数（Windows不存在此函数）

2.1.6.3 inet_ntoa函数（和inet_aton函数相反）

2.1.6.4 INADDR_ANY常数

2.1.6.5 WSAStringToAddress函数（只有Windows平台有，不利于兼容性）

2.1.6.6 WSAAddressToString函数（只有Windows平台有，不利于兼容性）

2.1.6.7 服务器端初始化IP地址时非常明确，为什么还要进行IP的初始化呢？

3.其余流程函数

3.1 进入连接等待状态（listen函数）

3.2 受理客户端连接请求（accpet函数）

3.3 客户端请求连接（connect函数）

4. 基于TCP的服务器端/客户端函数调用关系

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网络编程：编写程序使两台连网的计算机进行数据交换。

1. 套接字

操作系统提供名为套接字的部件，套接字是网络数据传输用的软件设备，它能够连接到因特网上，与远程计算机进行数据传输。

1.1 在Linux平台下构建套接字

对于Linux而言，socket操作与文件操作没有区别。如：close函数不仅可以关闭文件也可以关闭套接字。

1.1.1 用于接听的套接字(服务器端套接字)

第一步：调用socket函数创建套接字

#include<sts/socket.h>
int socket(int domain,int type,int protocol);
成功返回文件描述符，失败返回-1

第二步：调用bind函数分配IP地址和端口号

#include<sts/socket.h>
int bind(int sockfd,struct sockaddr* myaddr,socklen_t addrlen);
成功返回0，失败返回-1

第三步：调用listen函数转为可接收请求状态

#include<sts/socket.h>
int listen(int sockfd,int backlog);
成功返回0，失败返回-1

第四步：调用accept函数受理连接请求

#include<sts/socket.h>
int accept(int sockfd,struct sockaddr* addr,socklen_t* addrlen);
成功返回文件描述符，失败返回-1

accpet函数一直等待，直到有连接请求时，才会有返回值。

第五步：调用write函数发送数据

#include<unistd.h>ssize_t write(int fd,const void* buf,size_t nbytes);
成功则返回写入的字节数，失败返回-1

fd：文件描述符参数

buf：保存要传输数据的缓冲地址值

nbytes：要传输数据的字节数

第六步：关闭套接字

#include<unistd.h>int close(int fd);
成功返回0，失败返回-1

fd：文件描述符参数。 

close函数不仅可以关闭文件也可以关闭套接字。 客户端调用close会向服务端的客户端套接字文件描述符传递EOF。

1.1.2 用于发送请求的套接字(客户端套接字)

第一步：调用socket函数创建套接字

如上。

第二步：调用connect函数连接服务器端

#include<sts/socket.h>
int connect(int sockfd,struct sockaddr* serv_addr,socklen_t addrlen);
成功返回0，失败返回-1

第三步：调用read函数读取服务器传输的信息

#include<unistd.h>ssize_t read(int fd,void *buf,size_t nbytes);
成功则返回接收的字节数（但遇到文件结尾则返回0），失败返回-1

fd：数据接收对象的文件描述符参数

buf：保存接收数据的缓冲地址值

nbytes：要接收数据的字节数

第四步：关闭套接字

如上。

1.2 在Windows平台下构建套接字

在Windows平台下构建套接字要先进行Winsock的初始化。

1.2.1 Winsock的初始化

初始化版本库

#include<winsock2.h>int WSAStartup(WORD wVersionRequested,LPWSADATA lpWSAData);
成功返回0，失败返回非0的错误代码值

wVersionRequested：WORD是通过typedef定义的unsigned short类型，这个参数是提供套接字版本信息。可借助MAKEWORD宏函数来构建版本信息，如：

MAKEWORD(1,2);       //主版本为1，副版本为2，返回0x0201
MAKEWORD(2,2);       //主版本为2，副版本为2，返回0x0202

lpWSAData：传入WSADATA型结构体变量地址（LPWSADATA是WSADATA的指针类型），调用完函数后会将相关参数，填充到这个参数里。

WSADATA wsaData;
if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData)!=0)
{......
}

注销版本库

#include<winsock2.h>int WSACleanup(void);
成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR

销毁Winsock相关库，无法再调用Winsock相关函数。

1.2.2 用于接听的套接字(服务器端套接字)

 第一步：调用socket函数创建套接字

#include <winsock2.h>
SOCKET socket(int af,int type,int protocol);
成功返回套接字句柄，失败返回INVALID_SOCKET

第二步：调用bind函数分配IP地址和端口号

#include <winsock2.h>
int bind(SOCKET s,const struct sockaddr* name,int namelen);
成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR

第三步：调用listen函数转为可接收请求状态

#include <winsock2.h>
int listen(SOCKET s,int backlog);
成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR

第四步：调用accept函数受理连接请求

#include <winsock2.h>
SOCKET accept(SOCKET s,struct sockaddr* addr,int* addrlen);
成功返回文件描述符，失败返回INVALID_SOCKET

accpet函数一直等待，直到有连接请求时，才会有返回值。

第五步：调用send函数发送数据

#include<winsock2.h>
int send(SOCKET s,const char* buf,int len,int flags);
成功返回传输字节数，失败返回SOCKET_ERROR

 s：表示数据传输对象连接的套接字句柄值

buf： 保存待传输数据的缓冲地址值

len：要传输的字节数

flags：传输数据时用到的多种选项信息

第六步：关闭套接字

#include <winsock2.h>
int closeconnect(SOCKET s);
成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR

1.2.3 用于发送请求的套接字(客户端套接字)

第一步：调用socket函数创建套接字

如上。

第二步：调用connect函数连接服务器端

#include <winsock2.h>
int connect(SOCKET s,const struct sockaddr* name,int namelen);
成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR

第三步：调用recv函数，接收服务器端传来的数据

#include <winsock2.h>
int recv(SOCKET s,const char* buf,int len,int flags);
成功返回接收的字节数（收到EOF时为0），失败返回SOCKET_ERROR

 s：表示数据接收对象连接的套接字句柄值

buf： 保存接收数据的缓冲地址值

len：要接收的最大字节数

flags：接收数据时用到的多种选项信息

第四步：关闭套接字

如上。

1.3 Linux和Windows套接字的区别

1. 文件描述符和句柄的区别：

   在Linux中，文件描述符是不区分文件和套接字的，即两个都是一样的

   在Windows中，句柄是区分文件和套接字的，并不完全一样。

   比较两个系统的socket、listen和accept函数，可以发现，其实Linux的int sockfd就对应于Windows的SOCKET s，即SOCKET这个类型，就存有套接字句柄整形值，也类似于一种编号。

2. write和send的区别：

         在Linux中，有write也有send函数，来传输数据。

        在windows中，send函数只是比Linux中的write函数多了最后的flag参数。

1.4 套接字特性

1.4.1 socket函数

int socket(
int domain,    //套接字中使用的协议族(Protocol Family)信息
int type,      //套接字数据传输类型信息
int protocol   //计算机间通信中使用的协议信息
);
成功返回文件描述符，失败返回-1

 一个socket套接字=协议族+套接字类型+最终协议。

1.4.1.1 协议族信息（domain形参）

协议族：套接字通信中协议的分类。

名称	协议族
PF_INET（常用）	IPv4互联网协议族
PF_INET6	IPv6互联网协议族
PF_LOCAL	本地通信的UNIX协议族
PF_PACKET	底层套接字的协议族
PF_IPX	IPX Novell协议族

1.4.1.2  套接字类型（Type形参）

套接字类型：套接字的数据传输方式。

1.4.1.2.1 面向连接的套接字（SOCK_STREAM）

特点：

1. 传输过程中数据不会丢失
2. 按序传输数据
3. 传输的数据不存在数据边界
4. 套接字连接必须一一对应（一个客户端套接字对应服务器端的一个套接字，n个对应n个套接字）

总结：可靠的、按序传递的、基于字节的面向连接的数据传输方式的套接字。注意接收和发送数据大小要相等。

特点：传输过程中数据不会丢失、传输的数据不存在数据边界，解释：

        在接收的套接字内部，有一个由字节数组组成的缓冲区，从传输端传过来的数据会先存储到这个缓冲区里，如果缓冲区满了，那么传输端就会停止传输，等待缓冲区中的数据被读取完，再继续传输。其中传输出错，也会进行重传服务，除特殊情况外，不会有数据丢失。

1.4.1.2.2 面向消息的套接字（SOCK_DGRAM）

特点：

1. 快速传输
2. 传输的数据可能丢失、损毁
3. 传输的数据有数据边界
4. 限制每次传输的大小

总结：不可靠的，不按序传递的、以数据的高速传输为目的的套接字，不存在连接的概念。注意接收和发送数据次数要相等。

特点：传输的数据具有数据边界，解释：

        每次传输都有大小限制，如果超过了这个限制，那么就得分批发送，即意味着接收数据的次数应和传输次数相同。而面向连接的套接字，没有这个要求。

1.4.1.3 协议的最终选择（protocol形参）

第三个参数的意义：同一协议族中存在多个数据传输方式相同的协议。

与套接字类型对应的：

1. 面向连接的套接字：TCP套接字（IPPROTO_TCP），注意接收和发送数据大小要相等。
2. 面向消息的套接字：UDP套接字（IPPROTO_UDP），注意接收和发送数据次数要相等。

2. 地址族和数据序列

IP（Internet Protocol网络协议）：为收发网络数据而分配给计算机的值。

端口号：区分程序中创建的套接字而分配给套接字的序号。

2.1 网络地址

分为两类：IPv4（4字节地址族）、IPv6（16字节地址族）。

2.1.1 IPv4（常用）

IPv4标准的4字节IP地址，由网络地址和主机地址组成。

2.1.1.1 网络地址和主机地址

IPv4分为如下A、B、C、D四种类型：

通过首字节可以判断其属于哪种类型：

首字节范围	类型
0~127	A
128~191	B
192~223	C

向对应IP地址主机传输数据，是先通过网络地址，查找到对应的路由器或交换机，再由路由器或交换机，根据主机ID将数据分发到主机上。如图：将数据发送到203.211.172.103上，会先找到网络地址为203.211.172的路由器，路由器再通过主机ID：103将数据传输给对应主机。

2.1.2 端口号

端口号由16位构成，可分配端口号范围为0~65535，但0~1023是知名端口号，会分配给特定应用程序，所以应当分配此范围之外的值。另外，虽然端口号不能重复，但TCP套接字和UDP套接字不会共用端口号，所以允许重复。例如：某TCP套接字用了9130端口，则其余TCP套接字不能使用此端口，但UDP套接字可以使用9130端口。

2.1.3 bind函数

#include<sts/socket.h>
int bind(int sockfd,struct sockaddr* myaddr,socklen_t addrlen);
成功返回0，失败返回-1

2.1.3.1 sockaddr_in结构体

sockaddr_in：保存IPv4地址信息的结构体。

struct sockaddr_in
{sa_family_t    sin_family;    //地址族uint16_t       sin_port;      //16位TCP/UDP端口号struct in_addr sin_addr;      //32位IP地址char           sin_zero[8];   //不使用
}struct in_addr
{in_addr_t      s_addr;        //32位IPv4地址
}struct sockaddr
{sa_family_t    sin_family;        //地址族char           sa_data[14];       //地址信息
}

数据类型是POSIX（可移植操作系统接口），POSIX是为UNIX系列操作系统设立的标准。

1.sin_family成员

2.sin_port成员

保存16位端口号，是以网络字节序保存的。

3.sin_addr成员

保存32位IP地址信息，也是以网络字节序保存的。

4.sin_zero成员

无特殊含义。只是为了使结构体sockaddr_in和sockaddr结构体大小保持一致插入的成员。

为什么我们平常的使用，要先填充 sockaddr_in结构体，再转换为sockaddr结构体，而不直接填充sockaddr结构体呢？

答：因为sockaddr结构体中sa_data[14]数据的填充很麻烦，其中需包含IP地址和端口号，并且其余部分都要填充为0，才能使用。不如直接使用sockaddr_in结构体，再进行转换。填充复杂的原因是sockaddr结构体并不仅仅为IPv4而设计。

2.1.4 网络字节序

不同CPU中，向内存保存数据的方式有两种，一种是正序，直接保存，一种是倒序保存，这意味着，CPU解析数据的方式也分为两种：

1. 大端序：高位字节存放到低位地址
2. 小端序：高位字节存放到高位地址

所以，在数据传输时，必须统一方式，这种方式就称为网络字节序，即统一为大端序。即先把数据统一转化为大端序的格式，再进行网络传输，所以在填充sin_addr成员和sin_port成员时需要以网络字节序保存。

2.1.5 字节序转换

主机字节序和网络字节序的相互转换，被称为字节序转换。有以下函数进行转换：

unsigned short htons(unsigned short);    //把short类型数据从主机字节序转换为网络字节序
unsigned short ntohs(unsigned short);    //把short类型数据从网络字节序转换为主机字节序
unsigned long htonl(unsigned long);      //把long类型数据从主机字节序转换为网络字节序
unsigned long ntohl(unsigned long);       //把long类型数据从网络字节序转换为主机字节序

htons中的h表示主机(host)字节序。

htons中的n表示网络(network)字节序。

htons中的s指的是short（short占2个字节，所以常用于端口号的转换）。

htonl中的l值得是long（Linux中long类型占4个字节，所以常用于IP地址的转换）。

2.1.6 网络地址的初始化和分配

2.1.6.1 inet_addr函数

#include <arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char *string);
成功则返回32位大端序整数型值，失败则返回INADDR_NONE

这个函数帮助我们将字符串形式的IP地址转换为32位整数型数据，同时也会进行网络字节序转换。 同时它也会检测无效的IP地址。

2.1.6.2 inet_aton函数（Windows不存在此函数）

inet_aton函数和inet_addr函数功能上相同。

#include <arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *string,struct in_addr* addr);
成功则返回1，失败则返回0

string：含有需转换的IP地址信息的字符串地址值。

addr：将保存转换结果的in_addr结构体变量的地址值。

2.1.6.3 inet_ntoa函数（和inet_aton函数相反）

#include <arpa/inet.h>
char* inet_ntoa(struct in_addr* addr);
成功则返回转换的字符串地址值，失败则返回-1

将网络字节序32位整数型IP地址转换为字符串形式。

注意：在使用此函数时，返回的结果是一个指针，指向字符串信息的地址，当第二次使用这个函数时，这个地址存有的字符串信息会被覆盖掉，所以在使用时，需要立即拷贝保存地址存有的字符串信息。

2.1.6.4 INADDR_ANY常数

struct sockaddr_in addr;
memset(&addr,0,sizeof(addr));
...
addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);

INADDR_ANY常数：采用这种方式，会自动获取运行服务器端的计算机的IP地址，不必亲自输入，并且，若同一计算机中分配有多个IP地址（路由器这种），则只要端口号一致，就可以从不同IP地址里接收数据。所以服务器端优先考虑这种方式。

2.1.6.5 WSAStringToAddress函数（只有Windows平台有，不利于兼容性）

各种类型都是针对默认类型的typedef声明。

#include <winsock2.h>
INT WSAStringToAddress
(LPTSTR AddressString,INT AddressFamily,LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,LPSOCKADDR lpAddress,LPINT lpAddressLength
);
成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR

AddressString：含有IP地址和端口号的字符串地址值

AddressFamily：第一个参数中地址所属的地址族信息

lpProtocolInfo：设置协议提供者（Provider），默认为NULL
lpAddress：保存地址信息的结构体变量地址值

lpAddressLength：第四个参数中传递的结构体长度所在的变量地址值。

2.1.6.6 WSAAddressToString函数（只有Windows平台有，不利于兼容性）

各种类型都是针对默认类型的typedef声明。

#include <winsock2.h>
INT WSAAddressToString
(LPSOCKADDR lpsaAddress,DWORD dwAddressLength,LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,LPTSTR lpszAddressString,LPDWORD lpdwAddressStringLength
);
成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR

lpsaAddress：需要转换的地址信息结构体变量地址值

dwAddressLength：第一个参数中结构体的长度
lpProtocolInfo：设置协议提供者（Provider），默认为NULL

lpszAddressString：保存转换结果的字符串地址值
lpdwAddressStringLength：第四个参数中存有地址信息的字符串长度

2.1.6.7 服务器端初始化IP地址时非常明确，为什么还要进行IP的初始化呢？

因为：同一个计算机可能分配有多个IP地址，实际IP地址和计算机安装的NIC数量相等。所以服务器需要决定应接收哪个IP地址传来的数据，所以要服务器端要初始化IP地址。

3.其余流程函数

3.1 进入连接等待状态（listen函数）

当调用了listen函数，服务器端会阻塞，等待连接请求状态。意味着，只有在此之后客户端才能调用connect函数。

#include<sts/socket.h>
int listen(
int sockfd,            //希望进入等待连接请求状态的套接字文件描述符，传递的描述符套接字参数为服务器端套接字
int backlog            //连接请求等待队列的长度。
);
成功返回0，失败返回-1

如图：

        客户端连接请求本身也是从网络中接收到的一种数据，而接收数据就需要套接字，所以第一个参数服务器端套接字，就是充当门卫，可回复客户端请求，传输"请求已收到"的信号数据。第二个参数就是可以规定，连接请求等候的队列的大小，一般与服务器端特性有关，像频繁请求的web端则至少要15。

3.2 受理客户端连接请求（accpet函数）

#include<sys/socket.h>
int accpet(
int sock,                //服务器套接字的文件描述符
struct sockaddr* addr,   //保存发起连接请求的客户端地址信息的变量地址值
socklen_t* addrlen       //第二个参数的结构体长度。
);
成功则返回套接字文件描述符，失败则返回-1

accpet函数，受理连接请求等待队列中，待处理的客户端连接请求。函数调用成功，accept函数内部会产生用于数据I/O的套接字，并返回其文件描述符。这个套接字是自动创建的，并自动与发起连接请求的客户端建立连接。

3.3 客户端请求连接（connect函数）

#include<sys/socket.h>
int connect(
int sock,                    //客户端套接字文件描述符
struct sockaddr* servaddr,   //保存目标服务器端地址信息的变量地址值
socklen_t addrlen            //第二个参数的变量长度
);
成功返回0，失败返回-1

 connect函数只有以下情况之一才会返回：

1. 服务器端接收连接请求，所谓的“连接请求”，并不意味着服务器端调用accpet函数，而是服务器端把连接请求信息记录到等待队列中。所以connect函数返回后并不立即进行数据交换。
2. 发生断网等异常情况而中断连接请求

4. 基于TCP的服务器端/客户端函数调用关系

        图中的总体流程整理如下:服务器端创建套接字后连续调用bind、listen函数进入等待状态,客户端通过调用connect函数发起连接请求。需要注意的是，客户端只能等到服务器端调用listen函数后才能调connect函数。同时要清楚，客户端调用connect函数前，服务器端有可能率先调用accept函数。当然，此时服务器端在调用accept函数时进入阻塞( blocking)状态，直到客户端调connect函数为止。