【計算機網路】網路通信模型及其Linux下代碼實作TCP&UDP-有解無憂

在這里插入圖片描述

網路通信：
所謂網路通信，就是底層遵循TCP/IP協議，而在系統層以Socket介面方式呈現，

基于TCP協議的網路通信模型：

    服務端                          		客戶端
    創建socket物件                  		創建socket物件
    準備通信地址+埠號(本機) sockaddr_in   準備通信地址+埠號(目標)  
    系結socket和通信地址     bind      	連接服務端			connect	
    設定監聽和排除數量        listen
    等待客戶端連接           accept
    分配新的socket物件+行程或執行緒   
    接收請求            send/write        發送請求
    回應請求            recv/read         接收回應
    關閉socket         close             關閉socket     close

UDP協議的區別在于：
1.socket時的引數.
2.接收回應使用的函式不同而已（write/read仍可用因為linux的哲學之一就是一切皆檔案）.
3.沒有了監聽和接收的步驟.

TCP通信使用到的函式：

   int socket(int domain, int type, int protocol);
    domain：
        AF_INET 基于ipv4的網路通信
    type：
        SOCK_STREAM 資料流 TCP

 struct sockaddr_in
    {
        int sin_family; //與domain一致即可
        in_port_t sin_port; //埠號，大端資料
        struct in_addr sin_addr;  //ip地址，大端資料
    };

    大小端資料轉換：
    uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
    功能：把4位元組的本地址位元組序轉換成網路位元組序
    uint16_t htons(uint16_t hostshort);
    功能：把2位元組的本地址位元組序轉換成網路位元組序
    uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
    功能：把4位元組的網路位元組序轉換成本地位元組序
    uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
    功能：把2位元組的網路位元組序轉換成本地位元組序

    ip地址的轉換：
    in_addr_t inet_addr(const char *cp);
    功能：把字串格式的點分十進制ip地址轉換成整數形式的ip地址(大端)
    char *inet_ntoa(struct in_addr in);
    功能：整數形式的ip地址轉換成把字串格式的點分十進制ip地址

    int listen(int sockfd, int backlog);
    功能：開戶監聽并設定排隊數量
    sockfd：要監聽的socket物件描述符
    backlog：能夠排除的數量

    int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
    功能：等待客戶端連接
    sockfd：受監聽的socket物件描述符
    addr：接收客戶端的地址
    addrlen：既是輸入，也是輸出
        1、告訴系統addr的位元組數
        2、系統反饋實際接收到的發送者的地址位元組數
    回傳值：分配新的socket物件描述符，如果出現錯誤則回傳-1，

    int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
    功能：連接服務端
    sockfd：socket物件描述符   
    addr：服務端地址
    addrlen：地址結構體位元組數
    回傳值：成功回傳0，失敗回傳-1，

    注意：收發資料可以繼續使用read、write，

    ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
    功能：TCP協議通信時專用的資料發送函式
    sockfd：socket物件描述符
    buf：待發送的資料首地址
    len：要發送的位元組數
    flags：
        0 阻塞發送
        1 不阻塞發送
    回傳值：成功發送的位元組數
        -1 出現錯誤
        0 連接斷開

    ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
    功能：TCP協議通信時專用的資料接收函式
    sockfd：socket物件描述符
    buf：緩沖區首地址
    len：緩沖區的大小
    flags：
        0 阻塞接收
        1 不阻塞接收
    回傳值：成功接收的位元組數
        -1 出現錯誤
        0 連接

基于UDP協議的網路通信模型：

使用到的函式：

    int socket(int domain, int type, int protocol);
    domain：
        AF_INET 基于ipv4的網路通信
    type：
        SOCK_DGRAM 資料報 UDP
    UDP協議專用的收發資料函式：
    ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
    功能：發送資料
    sockfd：socket物件描述符
    buf：要發送的資料的首地址
    len：要發送的位元組數
    flags：是否阻塞，寫0即可
    dest_addr：通信目標的地址
    addrlen：地址結構體的位元組數
    回傳值：成功發送的位元組數
        -1 出現錯誤
        0 通信關閉

    ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
    功能：接收資料
    sockfd：socket物件描述符
    buf：緩沖區的首地址
    len：緩沖區的大小
    flags：是否阻塞，寫0即可
    src_addr：用于存盤發者的地址
    addrlen：既是輸入，也是輸出
        1、告訴系統src_addr的位元組數
        2、系統反饋實際接收到的發送者的地址位元組數
    回傳值：成功接收到的資料位元組數
        -1 出現錯誤
        0 通信關閉

以下是代碼示例：

TCP服務端

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

typedef struct sockaddr* SAP;

void error_exit(const char* error)
{
	perror(error);
	exit(-1);
}

int main(int argc,const char* argv[])
{
	// 創建socket物件
	int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(0 > sockfd)
		error_exit("socket");

	// 準備網路地址(本機)
	struct sockaddr_in addr = {};
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);

	// 系結socket物件和地址
	if(bind(sockfd,(SAP)&addr,sizeof(addr)))
		error_exit("bind");

	// 開啟監聽且設定佇列長度
	if(listen(sockfd,5))
		error_exit("listen");

	struct sockaddr_in from_addr;
	socklen_t addrlen = sizeof(addr);

	// 等待連接
	int fd;
	do{
		fd = accept(sockfd,(SAP)&from_addr,&addrlen);
		if(0 > fd)
			error_exit("accept");
	}while(fork());

	printf("from addr:%s\n",inet_ntoa(from_addr.sin_addr));
	char buf[4096];
	// 收發資料
	for(;;)
	{
		int ret = read(fd,buf,sizeof(buf));
		printf("read:%s bytes:%d\n",buf,ret);
		if(0 > ret || !strcmp("quit",buf))
			break;

		strcat(buf,":return");
		ret = write(fd,buf,strlen(buf)+1);
		if(0 > ret || !strcmp("quit",buf))
			break;
	}

	// 關閉
	close(fd);
}

TCP客戶端

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

typedef struct sockaddr* SAP;

void error_exit(const char* error)
{
	perror(error);
	exit(-1);
}

int main(int argc,const char* argv[])
{
	// 創建socket
	int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(0 > sockfd)
		error_exit("socket");

	// 準備地址(服務器地址)
	struct sockaddr_in addr = {};
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);

	// 連接
	if(connect(sockfd,(SAP)&addr,sizeof(addr)))
		error_exit("connect");

	// 收發資料
	char buf[4096];
	for(;;)
	{
		printf(">>>");
		scanf("%s",buf);

		int ret = write(sockfd,buf,strlen(buf)+1);
		printf("write:%s bytes:%d\n",buf,ret);
		if(0 >= ret || !strcmp("quit",buf))
			break;

		ret = read(sockfd,buf,sizeof(buf));
		printf("read:%s bytes:%d\n",buf,ret);
		if(0 >= ret || !strcmp("quit",buf))
			break;

	}

	// 關閉
	close(sockfd);
}

UDP發送端

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

typedef struct sockaddr* SAP;

void error_exit(const char* error)
{
	perror(error);
	exit(-1);
}

int main(int argc,const char* argv[])
{
	// 創建socket物件
	int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
	if(0 > socket)
		error_exit("socket");

	// 準備地址
	struct sockaddr_in addr = {};
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	socklen_t addrlen = sizeof(addr);

	struct sockaddr_in from_addr;
	char buf[4096];

	for(;;)
	{
		printf(">>>");
		scanf("%s",buf);
		// 發送資料
		int ret = sendto(sockfd,buf,strlen(buf)+1,0,
						(SAP)&addr,addrlen);
		if(0 >= ret || !strcmp("quit",buf))
			break;

		// 接收資料
		ret = recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,
						(SAP)&from_addr,&addrlen);
		if(0 >= ret)
			break;

		printf("recv:%s from:%s bytes:%d\n",buf,inet_ntoa(from_addr.sin_addr),ret);
	}

	// 關閉socket物件
	close(sockfd);
}

UDP接收端

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

typedef struct sockaddr* SAP;

void error_exit(const char* error)
{
	perror(error);
	exit(-1);
}

int main(int argc,const char* argv[])
{
	// 創建socket物件
	int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
	if(0 > socket)
		error_exit("socket");

	// 準備地址
	struct sockaddr_in addr = {};
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	socklen_t addrlen = sizeof(addr);

	// 系結地址和socket物件
	if(bind(sockfd,(SAP)&addr,addrlen))
		error_exit("bind");

	struct sockaddr_in from_addr;
	char buf[4096];

	for(;;)
	{
		// 接收資料
		int ret = recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,(SAP)&from_addr,&addrlen);
		if(0 >= ret)
			break;

		printf("recv:%s from:%s bytes:%d\n",buf,inet_ntoa(from_addr.sin_addr),ret);
		strcat(buf,":return");

		// 發送資料
		ret = sendto(sockfd,buf,strlen(buf)+1,0,(SAP)&from_addr,addrlen);
		if(0 >= ret)
			break;
	}

	// 關閉socket物件
	close(sockfd);
}

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