网络通信

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1 网络通信概述

Linux网络通信是基于TCP/IP协议栈的分层架构实现的分布式进程间交互机制，其核心通过套接字（Socket）接口为应用层提供统一的网络编程入口。该协议栈分为四层：

应用层：（如HTTP、FTP）负责具体服务定义；
传输层：（TCP/UDP）管理端到端数据传输，其中TCP提供可靠连接，UDP实现无连接通信；
网络层：（IP协议）负责逻辑寻址与跨网路由选择，确保数据包跨广域网（WAN）或局域网（LAN）传输；
数据链路层：通过MAC地址完成物理介质上的帧传输，并进行错误检测（如CRC校验）。数据发送时，应用层数据逐层封装头部信息（如传输层端口号、网络层IP地址、链路层MAC地址），形成数据包；接收端则逆向解封装以还原原始数据。

简单来说，Linux网络通信就像是计算机之间互相“打电话”或“发消息”的方式！想象一下，当你用手机给朋友发消息时，手机需要通过信号塔、运营商网络等一步步传递信息，最终对方才能收到。Linux网络通信也是这样，它有一套“规则”（叫协议）和“工具”（叫套接字）来让不同电脑像朋友聊天一样交流。

1.1 IP和端口

所有的数据传输，都有三个要素：源、目的、长度。

怎么表示源或者目的呢？请看图 8.1：

图 8.1 网络源和目的

所以，在网络传输中需要使用“IP和端口”来表示源或目的。

1.2 网络传输中的2个对象：server和client

我们经常访问网站，这涉及2个对象：网站服务器，浏览器。网站服务器平时安静地呆着，浏览器主动发起数据请求。网站服务器、浏览器可以抽象成2个软件的概念：server程序、client程序。

图 8.2 网络客户端和服务器

1.3 两种传输方式：TCP/UDP

在一般的网络书籍中，网络协议被分为5层，如图 8.3所示：

图 8.3 网络协议层

应用层：它是体系结构中的最高层，直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务。在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传送的FTP协议，DNS，POP3，SNMP，Telnet等等。

运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。

运输层主要使用以下两种协议：

① 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。

② 用户数据包协议UDP(User Datagram Protocol)：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。

网络层：负责将被称为数据包（datagram）的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。
链路层：因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。
物理层：在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。

这些层对于初学者来说很难理解，我们只需要知道：我们需要使用“运输层”编写应用程序，我们的应用程序位于“应用层”。

使用“运输层”时，可以选择TCP协议，也可以选择UDP协议。

1 TCP和UDP原理上的区别

TCP向它的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务有2个特点：可靠传输、流量控制（即发送方/接收方速率匹配）。它包括了应用层报文划分为短报文，并提供拥塞控制机制。

UDP协议向它的应用程序提供无连接服务。它没有可靠性，没有流量控制，也没有拥塞控制。

2 为何存在UDP协议

既然TCP提供了可靠数据传输服务，而UDP不能提供，那么TCP是否总是首选呢？

答案是否定的，因为有许多应用更适合用UDP，举个例子：视频通话时，使用UDP，偶尔的丢包、偶尔的花屏时可以忍受的；如果使用TCP，每个数据包都要确保可靠传输，当它出错时就重传，这会导致后续的数据包被阻滞，视频效果反而不好。

使用UDP时，有如下特点：

① 关于何时发送什么数据控制的更为精细

采用UDP时只要应用进程将数据传递给UDP，UDP就会立即将其传递给网络层。而TCP有重传机制，而不管可靠交付需要多长时间。但是实时应用通常不希望过分的延迟报文段的传送，且能容忍一部分数据丢失。

② 无需建立连接，不会引入建立连接时的延迟。

③ 无连接状态，能支持更多的活跃客户。

④ 分组首部开销较小。

3 TCP/UDP网络通信大概交互图

下面我们分别画出运用TCP协议和运用UDP协议的客户端和服务器大概交互图。

图 8.4面向连接的TCP流模式

图 8.5UDP用户数据包模式

2 网络编程主要函数介绍

2.1 socket函数

int socket(int domain, int type,int protocol);

此函数用于创建一个套接字。

domain是网络程序所在的主机采用的通讯协族(AF_UNIX和AF_INET等)。
- AF_UNIX只能够用于单一的Unix 系统进程间通信，而AF_INET是针对Internet的，因而可以允许远程通信使用。
type是网络程序所采用的通讯协议(SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM等)。
- SOCK_STREAM表明用的是TCP 协议，这样会提供按顺序的，可靠，双向，面向连接的比特流。
- SOCK_DGRAM 表明用的是UDP协议，这样只会提不可靠，无连接的通信。
关于protocol，由于指定了type，所以这个地方一般只要用0来代替就可以了。

此函数执行成功时返回文件描述符，失败时返回-1,看errno可知道出错的详细情况。

2.2 bind函数

int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

从函数用于将地址绑定到一个套接字。

sockfd是由socket函数调用返回的文件描述符。
my_addr是一个指向sockaddr的指针。
addrlen是sockaddr结构的长度。

sockaddr的定义：

struct sockaddr{
unisgned short  as_family;
char sa_data[14];
};

不过由于系统的兼容性,我们一般使用另外一个结构(struct sockaddr_in) 来代替。

sockaddr_in的定义：

struct sockaddr_in{
unsigned short   sin_family;     
unsigned short     sin_port;
struct in_addr   sin_addr;
unsigned char   sin_zero[8];
}

如果使用Internet所以sin_family一般为AF_INET。

sin_addr设置为INADDR_ANY表示可以和任何的主机通信。
sin_port是要监听的端口号。
bind将本地的端口同socket返回的文件描述符捆绑在一起.成功是返回0,失败的情况和socket一样。

2.3 listen函数

int listen(int sockfd,int backlog);

此函数宣告服务器可以接受连接请求。

sockfd是bind后的文件描述符。
backlog设置请求排队的最大长度。当有多个客户端程序和服务端相连时，使用这个表示可以介绍的排队长度。
listen函数将bind的文件描述符变为监听套接字，返回的情况和bind一样。

2.4 accept函数

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr,int *addrlen);

服务器使用此函数获得连接请求，并且建立连接。

sockfd是listen后的文件描述符。
addr，addrlen**是用来给客户端的程序填写的,服务器端只要传递指针就可以了， bind,listen和accept是服务器端用的函数。
accept调用时，服务器端的程序会一直阻塞到有一个客户程序发出了连接。 accept成功时返回最后的服务器端的文件描述符，这个时候服务器端可以向该描述符写信息了，失败时返回-1 。

2.5 connect函数

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);

可以用connect建立一个连接，在connect中所指定的地址是想与之通信的服务器的地址。

sockfd是socket函数返回的文件描述符。
serv_addr储存了服务器端的连接信息，其中sin_add是服务端的地址。
addrlen是serv_addr的长度
connect函数是客户端用来同服务端连接的.成功时返回0，sockfd是同服务端通讯的文件描述符，失败时返回-1。

2.6 send函数

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

sockfd 指定发送端套接字描述符；
buf 指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；
len 指明实际要发送的数据的字节数；
flags 一般置0。
客户或者服务器应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据

2.7 recv函数

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

sockfd 指定接收端套接字描述符；
buf 指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放recv函数接收到的数据；
len 指明buf的长度；
flags 一般置0。
客户或者服务器应用程序都用recv函数从TCP连接的另一端接收数据。

2.8 recvfrom函数

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,

struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

recvfrom通常用于无连接套接字，因为此函数可以获得发送者的地址。
src_addr 是一个struct sockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。
addrlen 常置为sizeof （struct sockaddr）。

2.9 sendto函数

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

sendto和send相似，区别在于sendto允许在无连接的套接字上指定一个目标地址。
dest_addr 表示目地机的IP地址和端口号信息，
addrlen 常常被赋值为sizeof （struct sockaddr）。
sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。

3 TCP编程

本节源码位于如下目录：

8_socket\01_tcp\

3.1 实现TCP server程序

以下是一个tcp_server.c服务器代码示例。

首先是初始化，代码如下：

#define SERVER_PORT 8888
#define BACKLOG     10
21
int main(int argc, char **argv)
{
   int iSocketServer;
   int iSocketClient;
   struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
   struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
   int iRet;
   int iAddrLen;
30
   int iRecvLen;
   unsigned char ucRecvBuf[1000];
33
   int iClientNum = -1;
35
   signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
37
   iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   if (-1 == iSocketServer)
   {
       printf("socket error!\n");
       return -1;
   }

第38行，分配一个socket结构体，返回一个整数：以后使用这个整数引用这个结构体。

分配得到的socket结构体并没有含有IP、端口等信息，需要设置：

   tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
   tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
   tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
   memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
49
   iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
   if (-1 == iRet)
   {
       printf("bind error!\n");
       return -1;
   }

第45~48行，设置一个sockaddr_in结构体，在里面填入本地IP、本地端口信息。

第50行，把前面设置的本地IP、本地端口信息跟之前分配的socket结构体“绑定起来”。

然后调用listen函数启动监听，代码如下：

   iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG);
   if (-1 == iRet)
   {
       printf("listen error!\n");
       return -1;
   }

接着调用accept函数等待客户端发来连接请求，代码如下：

   while (1)
   {
       iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
       iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
       if (-1 != iSocketClient)
       {

如果有客户端连接成功，则为这个连接创建一个子进程，代码如下：

       if (-1 != iSocketClient)
       {
           iClientNum++;
           printf("Get connect from client %d : %s\n",  iClientNum, inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr));
           if (!fork())
           {
               /* 子进程的源码 */
               while (1)
               {
                   /* 接收客户端发来的数据并显示出来 */
                   iRecvLen = recv(iSocketClient, ucRecvBuf, 999, 0);
                   if (iRecvLen <= 0)
                   {
                       close(iSocketClient);
                       return -1;
                   }
                   else
                   {
                       ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
                       printf("Get Msg From Client %d: %s\n", iClientNum, ucRecvBuf);
                   }
               }
           }

第78行：子进程调用recv函数等待客户端发来数据。

第86、87行：打印接收到的数据。

执行以下指令编译：

gcc -o tcp_server tcp_server.c

3.2 实现TCP client程序

以下是一个tcp_client.c客户端代码示例。

首先是初始化，代码如下：

#define SERVER_PORT 8888
16
int main(int argc, char **argv)
{
   int iSocketClient;
   struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
21
   int iRet;
   unsigned char ucSendBuf[1000];
   int iSendLen;
25
   if (argc != 2)
   {
       printf("Usage:\n");
       printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
       return -1;
   }
32
   iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

第33行，分配一个socket结构体，返回一个整数：以后使用这个整数引用这个结构体。

作为客户单，你想连接哪个远端IP、远端端口？需要设置：

   tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
   tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
   //tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
   if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
   {
       printf("invalid server_ip\n");
       return -1;
   }
   memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);

第35~43行，设置一个sockaddr_in结构体，在里面填入远端IP、远端端口信息。

接着调用connect函数链接刚刚设置的远端IP、远端端口，代码如下：

   iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
   if (-1 == iRet)
   {
       printf("connect error!\n");
       return -1;
   }

最后，就可以不断给远端服务器发送数据了，代码如下：

   while (1)
   {
       if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
       {
           iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
           if (iSendLen <= 0)
           {
               close(iSocketClient);
               return -1;
           }
       }
   }

第55行：读取用户输入的字符串。

第57行，把用户输入的字符串发送给服务器。

执行以下指令编译：

gcc tcp_client.c -o tcp_client

3.3 使用TCP进行消息传输

在TCP通信中，客户端与服务器之间建立连接后，可以通过这个连接传输数据。在上面的代码中，我们分别实现了TCP服务器和客户端的基本功能。

在开发板上执行如下命令，先启动服务器程序：

./tcp_server &

在同一个开发板上，执行如下命令启动客户端程序，并且输入字符串发送给服务器：

./tcp_client 127.0.0.1
Get connect from client 1 : 127.0.0.1
hello
Get Msg From Client 1: hello

4 UDP编程

本节源码位于如下目录：

8_socket\02_udp\

4.1 实现UDP server程序

udp_server.c程序核心源码如下：

    iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr)); //将套接字与特定的IP地址和端口号绑定
    if (-1 == iRet)
    {
            printf("bind error!\n");
            return -1;
    }
51
52
    while (1) //服务器将持续运行，等待客户端的消息
    {
            iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
            iRecvLen = recvfrom(iSocketServer, ucRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);// 接收客户端发送的消息
            if (iRecvLen > 0)
            {
                    ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
                    printf("Get Msg From %s : %s\n", inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr), ucRecvBuf);
            }
    }
63
    close(iSocketServer);
    return 0;
}

4.2 实现UDP client程序

udp_client.c程序核心源码如下：

    iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
35
    tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
    tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
    //tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
    {
            printf("invalid server_ip\n");
            return -1;
    }
    memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
45
#if 0
    iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
    if (-1 == iRet)
    {
            printf("connect error!\n");
            return -1;
    }
#endif
54
    while (1)
    {
            if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin)) //从标准输入读取用户输入的数据。
            {
#if 0
                    iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
#else
                    iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
                    iSendLen = sendto(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0,
                                          (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, iAddrLen);// 将数据通过UDP发送给服务器

4.3 使用TCP进行消息传输

先执行如下命令编译程序：

gcc -o udp_server udp_server.c
gcc -o udp_client udp_client.c

然后在开发板上执行如下命令，先启动服务器程序：

./udp_server &

在同一个开发板上，执行如下命令启动客户端程序，并且输入字符串发送给服务器：

./udp_client 127.0.0.1
hello
Get Msg From 127.0.0.1 : hello

1 网络通信概述​

1.1 IP和端口​

1.2 网络传输中的2个对象：server和client​

1.3 两种传输方式：TCP/UDP​

2 网络编程主要函数介绍​

2.1 socket函数​

2.2 bind函数​

2.3 listen函数​

2.4 accept函数​

2.5 connect函数​

2.6 send函数​

2.7 recv函数​

2.8 recvfrom函数​

2.9 sendto函数​

3 TCP编程​

3.1 实现TCP server程序​

3.2 实现TCP client程序​

3.3 使用TCP进行消息传输​

4 UDP编程​

4.1 实现UDP server程序​

4.2 实现UDP client程序​

4.3 使用TCP进行消息传输​