[计算机网络]---网络编程套接字

前言

作者：小蜗牛向前冲

名言：我可以接受失败，但我不能接受放弃

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目录

 一、基础知识

1、源IP地址和目的IP地址

 2、端口号

二、网络套接字

1、网络字节序

2、socket编程接口 

三、基于tcp协议的网络通信 

1、服务器的编写 

 2、客户端的编写

3、日志报告的编写 

 四、TCP协议通讯流程

1、通信流程

2、三次握手和四次挥手 

本期学习：网络基础知识，网络套接字，基于tcp协议的网络编程,tcp协议的三次握手和四次挥手。

 一、基础知识

1、源IP地址和目的IP地址

源IP地址：

• 源IP地址是指发起网络通信的设备或主机的IP地址。
• 在TCP/IP协议中，源IP地址用于标识数据包的来源，使得接收方知道从哪里收到数据。
• 源IP地址包含在网络数据包的IP头部中。

  目的IP地址：

  • 目的IP地址是指网络通信的目标设备或主机的IP地址。
  • 在TCP/IP协议中，目的IP地址用于指定数据包的目标，确保数据包被传递到正确的位置。
  • 目的IP地址同样包含在网络数据包的IP头部中。

    下面我们用唐僧取经的例子来理解：

    唐僧到女儿国，那国王问，高僧从那来，到哪里去 ，在网络中就是问源ip和目的ip。

    也可能会问高僧上一站从那来，下一站到哪里去。在网络中指的就是MAC地址。

    MAC地址：

    MAC地址（Media Access Control address），也称为物理地址或硬件地址，是网络通讯中用于唯一标识网络接口控制器（NIC，网络接口卡）的一个地址。每个网络设备的NIC都有一个全球唯一的MAC地址，这个地址在生产时被固化在硬件中。

    MAC地址的长度通常是48位（6个字节），有时也表示为64位以适应某些特定技术标准。

     MAC地址通常以十六进制数表示，每个字节之间用冒号（:）或者破折号（-）分隔，例如00:1A:2B:3C:4D:5E或00-1A-2B-3C-4D-5E。

     2、端口号

          我们光有IP地址就可以完成通信了嘛? 想象一下发qq消息的例子, 有了IP地址能够把消息发送到对方的机器上, 但是还需要有一个其他的标识来区分出, 这个数据要给哪个程序进行解析。所以就提出用端口号来标识唯一的程序(服务器)。

    端口号(port)是传输层协议的内容:

    • 端口号是一个2字节16位的整数;
    • 端口号用来标识一个进程, 告诉操作系统, 当前的这个数据要交给哪一个进程来处理;
    • IP地址 + 端口号能够标识网络上的某一台主机的某一个进程;
    • 一个端口号只能被一个进程占用

      问题1： 我们之前在学习系统编程的时候, 学习了 pid 表示唯一一个进程; 此处我们的端口号也是唯一表示一个进程. 那么这 两者之间是怎样的关系?

      ---

      a:系统是系统，网络是网络，这里可以达到解耦的效果

      b: 需要客户端每次都能找到服务端，而pid是在进程每次生成时随机分配的

      c:不是所以的网络进程都需要网络提供网络服务或者请求，但是所以的进程都需要用pid进行标识

      所以说：一个进程可以绑定多个端口号; 但是一个端口号不能被多个进程绑定

      ---

      注意：

      • 端口号范围从0到65535，其中0到1023是被知名服务占用的端口号，称为“系统端口”或“保留端口”，而1024到65535是动态或私有端口，用于一般应用程序或自定义服务(下面我们进行的测试常用8080端口)
      • 传输层协议(TCP和UDP)的数据段中有两个端口号, 分别叫做源端口号和目的端口号. 就是在描述 "数据是谁发的, 要 发给谁"。

        二、网络套接字

        1、网络字节序

        我们已经知道,内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分, 磁盘文件中的多字节数据相对于文件中的偏 移地址也有大端小端之分, 网络数据流同样有大端小端之分. 那么如何定义网络数据流的地址呢? 

        在网络中无论是发送主机还是接收主机都是将：缓冲区中的数据按内存地址从低到高的顺序发送或者接收

        因此,网络数据流的地址应这样规定:先发出的数据是低地址,后发出的数据是高地址

        TCP/IP协议规定,网络数据流应采用大端字节序,即低地址高字节

        也就是说不管这台主机是大端机还是小端机，到会按照大端机发送。

        

        库函数做网络 字节序和主机字节序的转换。 

        #include
        uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
        uint16_t htons(uint16_t hostshort);
        uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
        uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

        •  这些函数名很好记,h表示host,n表示network,l表示32位长整数,s表示16位短整数。
        • 例如htonl表示将32位的长整数从主机字节序转换为网络字节序,例如将IP地址转换后准备发送。
        • 如果主机是小端字节序,这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回; 如果主机是大端字节序,这些函数不做转换,将参数原封不动地返回.

          2、socket编程接口 

          API（Application Programming Interface）是一组定义在软件中不同组件之间交互的规范和工具。API可以看作是一座桥梁，它定义了如何访问或使用软件组件的方法。在软件开发中，API允许不同的程序部分之间进行通信，以便它们能够相互协作而无需详细了解彼此的内部实现。

          常见的API 

          // 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
          int socket(int domain, int type, int protocol);
          // 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器) 
          int bind(int socket, const struct sockaddr *address,
           socklen_t address_len);
          // 开始监听socket (TCP, 服务器)
          int listen(int socket, int backlog);
          // 接收请求 (TCP, 服务器)
          int accept(int socket, struct sockaddr* address,
           socklen_t* address_len);
          // 建立连接 (TCP, 客户端)
          int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
           socklen_t addrlen);

          sockaddr结构

           sockaddr 结构（有时候在不同的系统中会有稍微不同的变体，如 sockaddr_in）是用于表示套接字地址信息的数据结构，在网络编程中经常会遇到。它通常用于指定网络通信中的端点地址，包括 IP 地址和端口号。

          struct sockaddr {
              unsigned short sa_family;    // 地址族，如 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）
              char sa_data[14];            // 地址数据
          };

          主要的字段：

          1. sa_family：用于指定地址族，表示地址的类型。例如，AF_INET 表示 IPv4 地址族，AF_INET6 表示 IPv6 地址族等。这个字段是一个无符号短整型（unsigned short）。

          2. sa_data：包含地址的具体数据，通常用于存储 IP 地址和端口号等信息。在不同的地址族下，这个字段的内容会有所不同。

          在实际使用中，为了更方便地表示 IPv4 地址，通常会使用更具体的套接字地址结构，如 sockaddr_in，它的定义如下： 

          struct sockaddr_in {
              short int sin_family;          // 地址族，如 AF_INET
              unsigned short int sin_port;   // 端口号
              struct in_addr sin_addr;       // IPv4 地址
              unsigned char sin_zero[8];     // 未使用的填充字段
          };

          三、基于tcp协议的网络通信 

          上面我们说了怎么多，下面我们就用起来，虽然我们现在还是那么清楚udp和tcp协议，但是我大概清楚了他是用来通信的。

          这里我们要实现一个简单版本的服务器为客户端提供服务，这里我们的服务仅仅需要回显信息。

          我们要写一个服务器

          tcpServer.hpp
          tcpServer.cc

          一个客户端

          tcpClient.hpp
          tcpClinet.cc
          

          一个日志报告

          log.hpp

          1、服务器的编写 

          tcpServer.hpp:这里我们要完成服务器的初始化，启动和销毁。

          服务器的初始化是通过socket创建套嵌字，bind绑定网络，在进行listen监听.

          启动要完成accept获取新链接,在执行程序任务。

          这里我们在执行任务的过程中，我们可以：

          • 让程序自己执行
          • 创建子进程执行
          • 让多线程执行
          • 让线程池执行

            这里为了让程序更好的理解，我们就让子进程执行我们serverio。 

            #pragma once
            #include 
            #include 
            #include 
            #include 
            #include 
            #include 
            #include 
            #include 
            #include 
            #include 
            #include 
            #include 
            #include "log.hpp"
            #include "Task.hpp"
            #include "ThreadPool.hpp"
            namespace server
            {
                enum
                {
                    USAGE_ERR = 1, // usage_err
                    SOCKET_ERR,    // sockft_err
                    BIND_ERR,      // bind_err
                    LISTEN_ERR     // listen_err
                };
                static const uint16_t gport = 8080;
                static const int gbacklog = 5;
                class TcpServer; // 这是一个前置声明，我们在类tcpServer中定义了ThreadData数据的类防止出现循环依赖
                class ThreadData
                {
                public:
                    ThreadData(TcpServer *self, int sock) : _self(self), _sock(sock)
                    {
                    }
                public:
                    TcpServer *_self;
                    int _sock;
                };
                class TcpServer
                {
                public:
                    TcpServer(const uint16_t &port = gport) : _listensock(-1), _port(port)
                    {
                    }
                    void initServer()
                    {
                        // 1 创建套接字
                        _listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // sock_stream
                        if (_listensock  0)
                            {
                                std::cout _sock);
                    //     delete td;
                    //     return nullptr;
                    // }
                    ~TcpServer()
                    {
                    }
                private:
                    int _listensock; // 用了监听
                    uint16_t _port;
                };
            }

            下面是一些任务：

            #pragma once
            #include 
            #include 
            #include 
            #include 
            using namespace std;
            void serviceIO(int sock)
            {
                char buffer[1024];
                while (true)
                {
                    ssize_t n = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);
                    if (n > 0)
                    {
                        // 把读到的数据当做字符串
                        buffer[n] = 0;
                        cout