网络套接字编程

article/2025/10/20 21:12:40

网络套接字编程

一、 认识UDP协议

UDP(User Datagram Protocol 用户数据报协议，是不可靠的数据报传输协议，不确保数据安全有序的到达对端。

特点：

  • 传输层协议
  • 无连接
  • 不可靠传输
  • 面向数据报

应用场景：性能要求大于安全要求，比如视频传输。

二、UDP通信程序的编写

0. 前提

a. 什么是套接字编程

就是网络通信程序的编写，网络中的各种通信，都是用户与服务器之间的通信，不存在用户与用户之间的直接通信。也不存在服务器和服务器之间的直接通信。

b. 网络通信都是两端主机之间的通信：客户端，服务端。

客户端：网络通信中用户的一端，是进行业务请求的一端，是主动发起请求的一端。

服务端：网络通信中提供服务的一端，针对客户端请求进行处理的一端，是被动接收请求的一端。

客户端要给服务端发送数据，客户端怎么知道要发送给谁呢？

  • 服务端都会提前将自己的地址信息封装在客户端中，也正是因为如此，客户端的地址信息通常都不能改变。

c. 网络传输的数据都会具有五元组

  • sip：源端IP
  • sport：源端端口
  • dip：对端IP
  • dport：对端端口
  • protocol：协议

五元组标识了一条通信：数据从哪来，到哪去，用的什么协议。

1. 了解通信流程

a. 客户端

  1. 创建套接字：在内核中创建了一个套接字结构（struct socket），用于关联网卡与当前通信进程。
  2. 绑定地址信息：不建议进行，因为一旦绑定了地址，发送数据的源端地址就是固定的，但是一个端口只能被一个进程占用，容易冲突。
  3. 发送数据：将数据放到发送缓冲区，并告诉套接字这些数据要发送给谁（对端地址），系统在封装的时候就会发现数据没有源端地址，这时操作系统就会自动选择一个合适的地址信息进行绑定。
  4. 接收数据：从套接字的接收缓冲区取出数据。
  5. 关闭套接字：释放资源。

b. 服务端

  1. 创建套接字：在内核中创建了一个套接字结构（struct socket），用于关联网卡与当前通信进程。
  2. 为套接字绑定地址信息：描述sip和sport到socket中，用于告诉操作系统当收到数据时，这个数据要发送给所描述的sip和sport的时候，要交给这个socket进行处理。
  3. 接收数据：从套接字的接收缓冲区中取出数据，顺便获取这个数据是谁发的（源端地址）。
  4. 发送数据：将要发送的数据放入到发送缓冲区中，并且告诉套接字这个数据要发送给谁。
  5. 关闭套接字：释放资源。

2. 认识通信接口

  1. 创建套接字

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

    domain：地址域类型，用于决定通信使用什么地址结构，IPV4地址域类型则是AF_INET。

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1jl2eIjl-1643444904654)(C:\Users\han\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220121214410814.png)]

    type：套接字类型，决定使用什么套接字传输方式。

    • SOCK_STREAM：流式套接字，基于连接的，有序的，可靠的字节流传输服务。

    • SOCK_DGRAM：数据报套接字，无连接的，不可靠的数据报传输服务。

      [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5sd5dI53-1643444904655)(C:\Users\han\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220121214751938.png)]

    protocol：使用的协议类型，流式套接字默认0则表示TCP协议，数据报套接字默认0则表示UDP协议。

    返回值：套接字操作句柄（文件描述符），失败返回-1。

  2. 绑定地址信息

    int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

    sockfd：创建套接字返回的操作句柄，用于决定给哪个套接字绑定地址。

    addr：绑定地址的信息。

    len：地址信息长度。

    **注意：**struct sockaddr是一个通用的地址接口，在真正使用的时候并不会使用它，而是使用一个具体的通信地址结构，然后强转其类型并传入数据即可，bind接口内部会根据传入数据的前2个字节决定这个传入的地址数据该如何解析。len是地址信息长度，作用是第二个参数传入的是地址，所以要指定访问的长度，防止访问越界。

    返回值：成功返回0，失败返回-1.

  3. 发送数据

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

    sockfd：创建套接字返回的操作句柄。

    buf：要发送的数据的首地址（socket并不关心发送数据的具体内容）。

    len：要发送的数据长度。

    flags：标志位，0是默认阻塞操作。

    dest_addr：目的端地址信息。

    addrlen：地址信息长度。

    返回值：成功返回实际发送的数据长度，失败返回-1。

  4. 接收数据

    ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

    sockfd：创建套接字返回的操作句柄。

    buf：一块缓冲区的首地址，用于存放获取的数据。

    len：想要发送的数据长度。

    flags：标志位，0是默认阻塞操作。（若缓冲区没有数据则会等待）

    src_addr：接收到的数据的源端地址信息。

    *addrlen：输入输出参数，用于指定要获取的地址长度，以及返回实际长度。

    返回值：成功返回获取到的数据长度，失败返回-1。

  5. 关闭套接字

    int close(int fd);

  6. 字节序转换接口

    网络通信需要使用网络字节序，因此要考虑网络字节序转换问题

    16位数据的主机与网络字节序转换：uint16_t htons(uint16_t hostshort); uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

    32位数据的主机与网络字节序转换：uint32_t htonl(uint32_t hostlong); uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

    将一个点分十进制的字符串IP地址转换为网络字节序整数IP地址：in_addr_t inet_addr(const char *cp);

    将一个网络字节序整数IP地址转换为点分十进制的字符串IP地址：char *inet_ntoa(struct in_addr in);

3. 编写程序

服务器端：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>int main(int argc, char* argv[])
{//从参数中获取服务端要绑定的地址：包括IP地址和端口号 if(argc < 3){printf("参数不全\n");return -1;}char* src_ip = argv[1];//获取要绑定的IP地址int srv_port = atoi(argv[2]);//获取要绑定的端口//1.创建套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);//AF_INET表示IPV4地址域类型；SOCK_DGRAM表示数据报套接字，0默认是使用UDP协议if(sockfd < 0){perror("socket error");return -1;}//2.绑定地址信息struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(srv_port);addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(src_ip);socklen_t len = sizeof(addr);int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, len);if(ret < 0){perror("bind error");return -1;}//3.接收数据while(1){char tmp[4096] = {0};struct sockaddr_in client_addr;//获取发送端的地址信息len = sizeof(client_addr);ret = recvfrom(sockfd, tmp, 4095, 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &len);if(ret < 0){perror("recvfrom error");return -1;}printf("%s:%d - %s\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port), tmp);//4.发送数据printf("server input:");fflush(stdout);memset(tmp, 0x00,4096);//清空缓冲区内容scanf("%s",tmp);ret = sendto(sockfd, tmp, strlen(tmp), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, len);}//5.关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

客户端：

#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <string>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
using namespace std;class UdpSocket
{private:int _sockfd;public:UdpSocket():_sockfd(-1){}public://创建套接字bool Socket(){_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);if(_sockfd < 0){perror("socket error");return  false; }return true;}//绑定地址信息bool Bind(const string &ip, int port){struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(port);addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);if(bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, len) < 0){perror("bind error");return false;}return true;}//发送数据bool Send(const string &data, const string &ip, int port){struct sockaddr_in peeraddr;peeraddr.sin_family = AF_INET;peeraddr.sin_port = htons(port);peeraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);int ret = sendto(_sockfd, &data[0], data.size(), 0, (struct sockaddr*)&peeraddr, len);if(ret < 0){perror("send error");return false;}return true;}//客户端实际上是不需要接收服务器的地址的，因为他本来就知道bool Recv(string *buf, string *ip = nullptr, int* port = nullptr){struct sockaddr_in peeraddr;socklen_t len = sizeof(sockaddr_in);char tmp[4096] = {0};int ret = recvfrom(_sockfd, tmp, 4095, 0, (struct sockaddr*)&peeraddr, &len);if(ret < 0){perror("recvfrom error");return false;}buf->assign(tmp,ret);//从tmp字符串位置开始截取ret长度的数据到buf中if(ip != nullptr){*ip = inet_ntoa(peeraddr.sin_addr);}if(port != nullptr){*port = ntohs(peeraddr.sin_port);}return true;}//关闭套接字bool Close(){return close(_sockfd);}
};#include"udpsocket.hpp"
#include <cstdlib>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{//通过运行参数获取服务端的地址信息if(argc < 3){cout<<"参数不全"<<endl;return -1;}string srv_ip = argv[1];int srv_port = atoi(argv[2]);//1.创建套接字UdpSocket sock;sock.Socket();//2.绑定地址信息（不推荐）while(1){string buf;cout << "请输入要发送的内容";cin >> buf;//3.发送请求sock.Send(buf, srv_ip, srv_port);//4.接收相应buf.clear();sock.Recv(&buf);cout << buf << endl;}//5.关闭套接字sock.Close();return 0;
}

三、认识TCP协议

TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)，是面向连接的，可靠的字节流传输协议（确保了数据安全有序的到达对端，并且建立连接后才可以进行通信），TCP协议为了保证可靠传输，因此使用了很多的机制来完成，因此传输性能相对于UDP协议来说较低。

特点

  • 传输层协议
  • 基于连接的
  • 可靠传输
  • 面向字节流

应用场景：安全需求大于性能需求，比如文件传输。

四、TCP通信程序的编写

1.了解通信流程

a.客户端

  1. 创建套接字：关联网卡与进程。
  2. 绑定地址信息：不推荐主动绑定。
  3. 向服务端发起连接请求：如果没有主动绑定地址则会自动选择合适的地址进行绑定。连接一旦建立成功，客户端的socket中也会具有完整的五元组信息。
  4. 收发数据。
  5. 关闭套接字。

b.服务端

  1. 创建套接字：创建套接字：在内核中创建了一个套接字结构（struct socket），用于关联网卡与当前通信进程。
  2. 绑定地址信息：为套接字绑定地址信息：描述sip和sport到socket中，用于告诉操作系统当收到数据时，这个数据要发送给所描述的sip和sport的时候，要交给这个socket进行处理。
  3. 开始监听：使socket进入listen状态，开始处理客户端连接请求。服务端会为每个新的客户端的连接请求创建一个新的socket，在内部描述完整的五元组信息，这个新建的套接字只与固定的客户端进行通信。
  4. 获取新建套接字的操作句柄：往后与指定的客户端进行通信都是通过新建的套接字（被称为连接套接字）完成的，原本的套接字（被称为监听套接字）只用来新建连接请求。
  5. 收发数据。
  6. 关闭套接字。

2. 通信接口认识

  1. 服务端开始监听

    int listen(int sockfd, int backlog);

    sockfd：套接字描述符。

    backlog：当前服务器在同一时间所能处理的最大的客户端连接请求数量（同一时刻的最大并发连接数）。

    SYN泛洪攻击：恶意主机伪造IP地址，向服务器发送大量的连接请求，这样服务端就会不断创建新的连接套接字，如果服务端对新建套接字的数量不做限制的话，有可能瞬间资源耗尽，系统崩溃。这个限制就是backlog，有了这个限制，遇到SYN泛洪攻击的时候，顶多是无法处理正常的请求，但是不会让系统崩溃，之前的连接还可以正常通信。

    返回值：成功返回0，失败返回-1。

  2. 客户端发送连接请求

    int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

    sockfd：套接字描述符。

    addr：服务端的地址信息，IPV4通信使用struct sockaddr_in的结构。

    len：地址信息长度。

    返回值：成功返回0，失败返回-1。

  3. 服务端获取新建连接句柄

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

    sockfd：监听套接字描述符（监听套接字描述符仅用来进行新建连接和监听）。

    addr：获取要进行连接的客户端地址信息，描述的是当前要获取的这个套接字是与哪个客户端进行通信的。

    len：输入输出型参数：指定要获取的地址长度，以及返回实际获取的地址长度。

    返回值：成功返回新建连接的套接字描述符，用于后续与客户端进行通信；失败返回-1。

  4. 发送数据：

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

    sockfd：套接字描述符，对于服务端来说，一定是accept获取到的新建连接的套接字描述符。

    buf：要发送的数据首地址。

    len：要发送的数据首地址。

    flag：标志位，通常置0，表示阻塞发送，就是把数据放到发送缓冲区，系统进行封装发送，如果缓冲区满了则进行等待。

    返回值：成功返回实际发送的数据的长度；失败返回-1。

  5. 接收数据

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

    sockfd：监听套接字描述符。

    buf：一个缓冲区空间首地址，用于存放接收的数据。

    len：想要获取的数据长度，不能大于buf的缓冲区长度。

    flag：标志位，通常置0，表示阻塞接收，就是socket接收缓冲区中如果没有数据则阻塞。

    返回值：成功返回实际获取到的数据长度；失败返回-1；连接断开返回0。

  6. 关闭套接字

    int close(int fd);

    部分关闭连接

    int shutdown(int sockfd, int how); 这个操作并不会完全释放资源。[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RSKNwn6E-1643444904656)(C:\Users\han\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220128150431045.png)]

    shutdown更多用于进行半关闭连接，让对方知道自己不再发送数据或者不再接收数据了，但是要注意shutdown不是用于关闭套接字释放资源的，就算调用了shutdown，最后也必须使用close关闭释放资源。

3. 程序编写

封装TCPSocket类

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#define MAX_LISTEN 5
using namespace std;class TCPSocket
{private:int _sockfd;public:TCPSocket():_sockfd(-1){}//创建套接字bool Socket(){_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(_sockfd < 0){perror("socket error");return false;}return true;}//绑定地址信息bool Bind(const string &ip, int port){struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(port);addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());socklen_t len = sizeof(addr);if(bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, len) < 0){perror("bind error");return false;}return true;}//服务端开始监听bool Listen(int backlog = MAX_LISTEN){if(listen(_sockfd, backlog) < 0){perror("listen error");return false;}return true;}//向服务端发起连接请求bool Connect(const string &srv_ip, int srv_port){struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(srv_port);addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(srv_ip.c_str());socklen_t len = sizeof(addr);if(connect(_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, len) < 0){perror("connect error");return false;}return true;}//获取新建连接bool Accept(TCPSocket* new_sock, string* cli_ip, int* cli_port){struct sockaddr_in addr;socklen_t len = sizeof(addr);int new_fd = accept(_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, &len);if(new_fd < 0){perror("accept error");return false;}new_sock->_sockfd = new_fd;if(cli_ip != nullptr){*cli_ip = inet_ntoa(addr.sin_addr);}if(cli_port != nullptr){*cli_port = ntohs(addr.sin_port);}return true;}bool Send(const string &data){ssize_t ret = send(_sockfd, data.c_str(), data.size(), 0);if(ret < 0){perror("send error");return false;}return true;}bool Recv(string *buf){char tmp[4096] = {0};ssize_t ret = recv(_sockfd, tmp, 4096, 0);if(ret < 0){perror("recv error");return false;}else if(ret == 0){cout<<"连接断开"<<endl;}buf->assign(tmp,ret);return true;}bool Close(){if(_sockfd > 0){close(_sockfd);_sockfd = -1;}return true;}
};

客户端

#include "TCPSocket.hpp"int main(int argc, char* argv[])
{if(argc < 3){cout<<"参数不全"<<endl;return -1;}string srv_ip = argv[1];int srv_port = stoi(argv[2]);TCPSocket sock;//1.创建套接字sock.Socket();//2.向服务端发起连接请求sock.Connect(srv_ip, srv_port);//3、循环收发数据while(1){string data;cout<<"clint input:";fflush(stdout);cin>>data;sock.Send(data);data.clear();sock.Recv(&data);cout<<"server response"<<data<<endl;}//4.关闭套接字sock.Close();return 0;
}

服务端

#include "TCPSocket.hpp"
#include <unordered_map>unordered_map<string, string> table = 
{{"hello", "你好"},{"goodmorning", "早上好"}
};int main()
{TCPSocket listen_sock;//1.创建套接字listen_sock.Socket();//2.绑定地址信息listen_sock.Bind("0.0.0.0", 9000);//3.开始监听listen_sock.Listen();//5.使用新建连接收发数据while(1){//4.获取新建连接TCPSocket new_sock;string cli_ip;int cli_port;listen_sock.Accept(&new_sock, &cli_ip, &cli_port);cout<<"new connect"<<cli_ip<<":"<<cli_port<<endl;string buf;new_sock.Recv(&buf);string rsp;auto it = table.find(buf);if(it == table.end()){rsp = "未知请求";}rsp = it->second;new_sock.Send(rsp);}//6.关闭套接字listen_sock.Close();return 0;
}

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