TCP/IP网络编程基础

套接字类型

创建套接字

• Linux

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain,int type,int protocol);
//成功时返回文件描述符，失败时返回-1

domain：套接字中使用的协议族信息。

type：套接字数据传输类型信息。

protocol：计算机间通信中使用的协议信息。

• Windows

#include <winsock2.h>
int socket(int af,int type,int protocol);
//成功时返回socket句柄，失败时返回INVALID_SOCKET(本质为-1)

协议族(domain)

头文件sys/socket.h中声明的协议族

名称	协议族
PF_INET	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

套接字类型(type)

• • 
    
• 套接字类型1：面向连接的套接字(SOCK_STREAM)
  特点：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。
• 套接字类型2：面向消息的套接字(SOCK_DGRAM)
  特点：不可靠的、不按序传递的、以数据的高速传输为目的套接字。
  • 
    

协议的最终选择(protocol)

明确表示哪种协议：

int tcp_socket = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);
int udp_socket = socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,IPPROTO_UDP);

协议设置

地址族

地址信息的表示

1. POSIX中定义的数据类型

数据类型名称	数据类型说明	声明的头文件
int8_t	signed 8-bit int	sys/types.h
uint8_t	unsigned 8-bit int(unsigned char)
int16_t	signed 16-bit int
uint16_t	unsigned 16-bit int(unsigned short)
int32_t	signed 32-bit int
uint32_t	unsigned 32-bit int(unsigned long)
sa_family_t	地址族(address family)	sys/socket.h
socklen_t	长度(length of struct)
int addr_t	IP地址，声明为unit32_t	netinet/in.h
int port_t	端口号，声明为unit16_t

2. 基于IPv4地址的结构体

struct sockaddr_in
{
  sa_family_t   sin_family;   //地址族(Address Family)
  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
}

3. 结构体sockaddr_in的成员属性

成员sin_family：

地址族(Address Family)	含义
AF_INET	IPv4网络协议中的使用的地址族
AF_INET6	IPv6网络协议中的使用的地址族
AF_LOCAL	本地通信中采用的UNIX协议的地址族

成员sin_port：端口号

成员sin_addr：IP地址

成员sin_zero：无特殊含义，只是为了使结构体socketaddr_in的大小与socketaddr结构体保持一致而插入的成员，必需填充为0，否则无法得到想要的结果。

数据序列

CPU向内存保存数据的方式有2种，这意味这CPU解析数据的方式也分为2种。

• • 
    
• 大端序(Big Endian)：高位字节存放到低位地址。
• 小端序(Little Endian)：高位字节存放到高位地址。
  • 
    

为了保证网络传输的一致性，在通过网络传输数据时约定统一方式，这种约定称为网络字节序，统一约定位​​大端序​​。即先把数据数组转化位大端序格式再进行网络传输。

​​注1：Intel和AMD系列的CPU都采用小端序标准。​​

​​注2：除了向socketaddr_in结构体变量填充数据外，其他情况都无需考虑字节序问题(这个过程时自动的)。​​

字节序转换

转换函数(两个平台都可以使用)：

• • 
    
• unsigned short htons(unsigned short)：把short类型数据从主机字节序转化为网络字节序。
• unsigned short ntohs(unsigned short)：把short类型数据从网络字节序转化为主机字节序。
• unsigned long htonl(unsigned long)：把long类型数据从主机字节序转化为网络字节序。
• unsigned long ntohl(unsigned long)：把long类型数据从网络字节序转化为主机字节序。
  函数名命名规则：
• htons中的​​h​​代表主机(host)字节序
• htons中的​​n​​代表网络(network)字节序
• htons中的​​s​​代表short，其中htonl中的​​l​​代表long(Linux中long类型占用4个字节)
  • 
    

IP字符串信息转换为网络字节序

1. inet_addr函数
   将点分十进制表示法(例如211.214.107.99)的IP转换为32位整型数据(满足网络字节序)，同时科研检测无效的IP地址：

#include <arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char *string);
//成功时返回32位大端序整型值，失败时返回INADDR_NONE

2. inet_aton函数
   ​​​该函数只存在于Linux之中，Windows中不存在​​，与inet_addr函数功能相同，只不过该函数利用了in_addr结构体，且其使用频率更高。

#include <arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *string,struct in_addr *addr);
//成功时返回1(true)，失败时返回0(false)

参数string：含有需转换的IP地址信息的字符串地址值。

参数addr：将保存转换结果的in_addr结构体变量的地址值。

注意：实际编程中若要调用inet_addr函数，需将转换后的IP地址信息代入sockaddr_in结构体中声明的in_addr结构体变量。而inet_atong函数则不需要此过程。原因在于，若传递in_addr结构体变量地址值，函数会自动把结果填入该结构体变量中。

inet_aton(addr,&addr_inet.sin_addr);

网络字节序转换为IP字符串信息

#include <arpa/inet.h>

char *inet_ntoa(struct in_addr adr);
//成功时返回转换的字符串地址值，失败时返回-1。

需要注意的是，函数返回值类型位char指针，返回字符串地址意味着字符串已保存到内存空间，但该函数未向程序员要求分配内存，而是再内部申请了内存并保存了字符串。也就是说，调用完该函数后，应立即将字符串信息复制到其他内存空间。

char *str_ptr;
char str_arr[20];
str_ptr = inet_ntoa(addr1.sin_addr);
strcpy(str_arr,str_ptr);

实例

网络地址初始化：

struct sockaddr_in addr;
char *serv_ip = "211.217.168.13"; //IP字符串
char *serv_port = "9190";     //端口字符串
memset(&addr,0,sizeof(addr));   //结构体变量addr各成员初始化为0
addr.sin_family = AF_INET;          //指定地址族
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(serv_ip);  //IP初始化
addr.sin_port = htons(atoni(serv_port));  //端口初始化

​​注：atoi用于将数字字符串转换成int输出。​​

常量​​INADDR_ANY​​可自动获取运行服务器端的计算机IP地址，不必亲自输入。

addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(INADDR_ANY); //IP初始化

WSAStringToAddress & WSAAddressToString

这两个函数在功能上与inet_ntoa和inet_addr完全相同，优点是支持多种协议，缺点是降低兼容性。

WASAStringToAddress函数(字符串转地址)：

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

• • 
    
• AddressString：含有IP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。
  WASAStringToAddress函数(字符串转地址)：
  • 
    

#include <winsock2.h>
INT WSAAddressToString(
  LPTSTR lpsaAddress,DWORD dwAddressLength,LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,LPSTR lpszAddressString,LPDWORD lpdwAddressStringLength
);
//成功时返回0，失败时返回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。
  • 
    

#undef UNICODE
#undef _UNICODE
#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
  char *strAddr = '203.211.218.102:9190';

  char strAddrBuf[50];
  SOCKADDR_IN servAddr;
  int size;
  WSADATA wsaData;
  WSAStartup(MAKEWORD(2,2,),&wsaData);

  size = sizeof(servAddr);
  WSAStringToAddress(
    strAddr,AF_INET,NULL,(SOCKADDR*)&servAddr,&size
  );

  size = sizeof(strAddrBuf);
  WSAAddressToString(
    (SOCKADDR*)&servAddr,sizeof(servAddr),NULL,strAddrBuf,&size
  );
  printf("second conv result:%s\n",strAddrBuf);
  WSACleanup();
  return 0;
}