通信原理课设(gec6818) 006:网络编程

1、概念

2、通信

3、通信基本流程

TCP:

UDP:

4、函数

I 创建套接字

II 绑定地址

III 字节序转换

IV 地址转换

V 监听

VI accept

VII connect

VIII 从套接字接收信息

IX 从套接字发送消息

X 关闭套接字

5、网络配置

1、确保你的网卡里面有两个虚拟网卡，你的有线网卡的型号也在这里面看在更改适配器里面看是否有VMnet1 VMnet8

2、配置电脑的有线网卡ip

3、配置ubuntu的ip

4、配置开发板的ip

6、练习：实现简单的网络编程，客户端和服务器端可以实现通信

1、概念

如果两个计算机想要通信，那么这两台计算机必须在同一个局域网在一个局域网之内，如果想要进行通信，那么这两者都必须要有唯一一个ID --- IP地址
现在我们用的是IPV4 -> 4个字节来表示一台主机，由于这个IPV4资源有限，所以现在扩充到了IPV6

IPV4四个字节，如果一个局域网内将所有的ip分完，那么可以分配给2 ^ 32 个主机

在世界上面来说，局域网的数量也不少，在互联网上面是不同的局域网之内的用户在进行通信，因此我们去找到另外一台主机的时候，除了去区分这个主机以外，还需要区分局域网（局域网＋主机）

因此我们的ip地址分为两个部分：网络号 + 主机号
网络号：用来标识我们的局域网
主机号：用来标识我们局域网里面的主机
对于一个ip地址来说，我需要去区分哪些是网络号，哪些是主机号
我们通过4个字节，前面用全部的1构成，后面用全部的0构成
只要我们设置的足够好，那么我就可以使用这些1和0来区分，你的ip地址上面**哪些是网络号，哪些是主机号，这个东西我们就叫子网掩码。

举个例子：

一个点分式ip地址为：192.168.31.249
子网掩码为： 255.255.255.0
---------------->网络号：192.168.31
---------------->主机号：249（注意：主机号一般不为0和255）
11111111 11111111 11111111 11111111 -> 全是网络号，没有主机，因此没有什么作用
00000000 00000000 00000000 00000000 -> 全部是主机，没有网络，可以的，这是世界最大的网

注意：掩码的左边部分一定要是全为1且中间不能有0出现
比方说将255.255.248.0转为二进制是 11111111.11111111.11111000.00000000，可以看到左边都是1，在1的中间没有0出现（0都在1的右边），这样就是一个有效的掩码。我们再来看254.255.248.0，转成二进制是 11111110.11111111.11111000.00000000，这不是一个正确有效的掩码，因为在1中间有一个0的存在。

由于一台电脑里面可能运行多个网络程序，但是他们对应的网卡都是一个，因此ip地址都是共用的，因此我们必须还要有一个机制去区分网络程序 ----- 端口，端口号用于去区分网络程序的，现在是2个字节
0 ~ 1023 -> 知名端口
1024 ~ 49151 -> 注册端口，随便用，只要不冲突就行了
后面一节是私有端口，暂时不要用

所以：网络程序=ip+端口

网络编程都是对应两端的
1 服务端 --- 服务器
2 客户端 --- 客户端的应用程序
客户端发起服务请求，服务器响应这个请求

2、通信

我们的通信有两种
1 TCP --- 面向连接的，可靠通信，保证数据的无丢失无失序,有重发机制，也就是数据没有成功到达，会重发

2 UDP --- 面向无连接的，通信是不可靠的，但是效率要高于TCP，大量的实时不可靠通信我们就用UDP

3、通信基本流程

TCP:

服务端 -> tcp_server.c

1. 创建套接字 ---- 什么都是文件，因此你的网络通信也是一个文件，这个文件我们就叫套接字，是一个特殊的文件描述符 sockfd
2. 我们需要将服务器的IP地址绑定到套接字
3. 监听连接 ---- 创建一个监听队列.建立5个10个可以了
4. 循环等待客户端的连接，如果没有连接则等待，如果有连接则返回一个连接套接字
5. 和客户端进行正常收发
6. 关闭套接字

客户端 -> tcp_client.c
1. 创建套接字
2. 准备服务器的ip地址，准备连接
3. 连接服务器
4. 和服务器进行正常收发
5. 关闭套接字

UDP:

服务端 -> udp_server.c

1. 创建套接字
2. 绑定地址
3. 等待客户端给你发送信息
如果等待了客户端的信息，服务器会知道客户端的地址
根据刚刚得到的客户端的地址给客户端发送信息即可
4. 最后弄完了关闭套接字

客户端 udp_client.c
1. 创建套接字
2. 准备服务器地址，准备给服务器发送信息
3. 给服务器发送信息，然后可根据我们自己的项目逻辑来进行收发
4. 最后弄完了关闭套接字

4、函数

I 创建套接字

 NAMEsocket - create an endpoint for communication创建一个套接字SYNOPSIS#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);

参数解释：

domain：传输层的协议

AF_UNIX UNIX协议域，可以实现进程间通信

AF_INET IPV4

AF_INET6 IPV6

....

type：你采用那种协议进程数据传输

SOCK_STREAM 面向连接 -> TCP

SOCK_DGRAM 面向无连接 -> UDP

protocol：私有协议我们直接写0 表示一个不知名的协议

返回值：成功返回一个套接字，类似于文件描述符失败返回-1，同时errno被设置

II 绑定地址

 NAME 名称bind - 将一个名字和一个套接字绑定到一起(赋一个名字给一个套接字)SYNOPSIS 概述#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>将 my_addr这个地址绑定到sockfd这个套接字上面去int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, socklen_t addrlen);

参数解释：
sockfd：套接字你要绑定到这个套接字上面来

my_addr：我们的地址 struct sockaddr这个地址是一个公版根据需求我们自己要选用正确的类型,在这里我们应该选用面向网络的struct sockaddr_in
struct sockaddr_in { //这个类型是面向网络的  因此我们需要选用这个类型sa_family_t sin_family; /* 地址族: AF_INET */                                                        u_int16_t sin_port; /* 按网络字节次序的端口 */struct in_addr sin_addr; /* internet地址 */};  
        sin_family:这里就是socket第一个参数的填法

        sin_port ：端口号在注册端口里面选用一个即可

        sin_addr ： ip地址

/* Internet地址. */
struct in_addr {
u_int32_t s_addr; /* 按网络字节次序的地址 */ };

                        s_addr：可以看到ip是一个整数，和之前讲的点分式（如192.168.31.249）不同，因为点分式只是为了更加方便人看，192.168.31.249转换成整数就是0xC0A81FF9。那什么又是网络字节序呢？这与大端小端字节序有关：

①大端字节序（Big Endian）：最高有效位存于最低内存地址处，最低有效位存于最高内存处；

②小端字节序（Little Endian）：最高有效位存于最高内存地址，
最低有效位存于最低内存处。

UDP/TCP/IP协议规定:把接收到的第一个字节当作高位字节看待,这就要求发送端发送的第一个字节是高位字节;而在发送端发送数据时, 发送的第一个字节是该数值在内存中的起始地址处对应的那个字节, 也就是说,该数值在内存中的起始地址处对应的那个字节就是要发送的第一个高位字节

所以：网络字节序就是大端字节序。
  但是我们系统的本机字节序是小端字节序，因此需要对应的接口进行转换

addrlen：地址的长度实际上就是struct sockaddr_in这个类型的长度

返回值：成功返回0，失败返回-1，同时errno被设置

III 字节序转换

 SYNOPSIS#include <arpa/inet.h>//将主机字节序转换为网络字节序uint32_t htonl(uint32_t hostlong);uint16_t htons(uint16_t hostshort); //将网络字节序转换为主机字节序uint32_t ntohl(uint32_t netlong);uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

函数说明：

说明：h -----host；n----network ；s------short；l----long。
htons()--"Host to Network Short"
htonl()--"Host to Network Long"
ntohs()--"Network to Host Short"
ntohl()--"Network to Host Long"
现在我们需要将主机字节序转换为网络字节序，选用短整型就可以，所以我们选用htons

IV 地址转换

上面有讲到点分式，网络字节序，主机字节序。这些都是ip在不同应用中的格式。

以ip地址127.0.0.1为例：

第一步 127 . 0 . 0 . 1 把IP地址每一部分转换为8位的二进制数。

第二步 01111111 00000000 00000000 00000001 = 2130706433 （主机字节序）

然后把上面的四部分二进制数从右往左按部分重新排列，那就变为：

第三步 00000001 00000000 00000000 01111111 = 16777343 （网络字节序）

以下就是一些地址转换函数：

    SYNOPSIS#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);in_addr_t inet_addr(const char *cp);//如果是结构体里面用结构体  采用这个就可以了in_addr_t inet_network(const char *cp);char *inet_ntoa(struct in_addr in);//将得到的ip地址转换成点分式字符串struct in_addr inet_makeaddr(in_addr_t net, in_addr_t host);in_addr_t inet_lnaof(struct in_addr in);

V 监听

    NAME 名称listen - listen for connections on a socket 在一个套接字上倾听连接//创建一个监听队列，监听我们的连接SYNOPSIS 概述#include <sys/socket.h>int listen(int s, int backlog);

参数解释：

s:表示在哪个套接字上面进行监听

backlog：你需要创建多长的队列，在这里我们需求不大，队列5 -10就可以
返回值：成功返回0，失败返回-1，同时errno被设置

VI accept

 NAME 名称accept - 在一个套接字上接收一个连接SYNOPSIS 概述#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>int accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数解释：

s:套接字
addr：保存连接对方的ip地址，实际上就是客户端的
addrlen：地址的长度，一定要带长度进去
返回值：返回一个连接套接字，服务器的通信是基于这个连接套接字的
失败返回-1，同时errno被设置

VII connect

    NAMEconnect - initiate a connection on a socket//连接服务器SYNOPSIS#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

sockfd：套接字
addr：服务器的ip地址，你需要提前准备
addrlen：这个地址的长度
返回值：成功返回0，失败返回-1，同时errno被设置

VIII 从套接字接收信息

SYNOPSIS#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>  ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

TCP上面三个函数都可以用，但是UDP是无连接的，因此只能使用recvfrom

recvfrom参数解释：

前面三个参数请参数read的
flags：一个标志填0即可
src_addr：保存对方的ip地址
addrlen：保存对方的ip地址长度
返回值：成功返回实际读到的字节数
失败返回-1，同时errno被设置

IX 从套接字发送消息

#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);int send(int s, const void *msg, size_t len, int flags);int  sendto(int s, const void *msg, size_t len, int flags, const structsockaddr *to, socklen_t tolen);

TCP上面三个函数都可以用，UDP只能使用sendto

参数解释：

flags：一个标志
to：对方的ip地址你要把这个消息发送给谁
tolen：你的地址的长度
返回值：成功返回实际发送的字节数
失败返回-1，同时errno被设置

X 关闭套接字

SYNOPSIS#include <sys/socket.h>int close(int fd);//关闭套接字的读写int shutdown(int sockfd, int how);

参数解释：

sockfd：套接字
how：怎么关闭
SHUT_RD 关闭读
SHUT_WR 关闭写
SHUT_RDWR 关闭读写

5、网络配置

1、确保你的网卡里面有两个虚拟网卡，你的有线网卡的型号也在这里面看
在更改适配器里面看是否有VMnet1 VMnet8

2、配置电脑的有线网卡ip

进入更改适配器选项-> 右击你的有线网卡 -> 属性 -> TCP/IPV4 -> 使用下面ip地址 ->设置你的ip -> 确定

其中： 192.168.1.x -> 电脑
192.168.1.y -> 乌班图
192.168.1.z -> 开发板
x,y,z在10 ~ 250之间，不相同即可

子网掩码 255.255.255.0
网关：192.168.1.1

3、配置ubuntu的ip

首先关闭ubuntu
以管理员方式打开VMware，不要打开乌班图(选中这个乌班图即可)
palyer版本 -> player -> 虚拟机设置 -> 网络适配器 -> 选择桥接模式 -> 适配适配器
-> 一定要选择你的有线网卡 -> 前面的√只打这一个 -> 确定 -> 开启这个乌班图
pro版本 -> 编辑 -> 虚拟网络编辑器 -> 桥接至你的有线网卡(不要选择自动) -> 确定

开启乌班图
右上键电源那个地方点击 -> 有线连接 -> 有线关闭 -> 右边的齿轮点进去-> IPV4 -> 手动 -> 按照windows填的方式填(但是ip不能和window一样) -> 应用 -> 打开有线连接
在终端我们可以看一下自己的ip是否改好，ifconfig命令
可以ping我们的windows的ip
ping 192.168.1.x -> 没有看到time是多少的就是没有通

4、配置开发板的ip

进入开发板的profile文件，写入 ifconfig eth0 192.168.1.z netmask 255.255.255.0 up（将192.168.1.z改成你自己设的具体的IP），这样开发板每次开机都会自己开网。

6、练习：实现简单的网络编程，客户端和服务器端可以实现通信

tcp_client.c

//客户端
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
//全局的套接字
int sockfd = -1;//将套接字创建好  并且绑定 监听
//将ip地址和端口号传进来 端口号释放需要时间(轮询机制)
void TcpInit(const char * ipaddr,unsigned short port)
{//1 创建套接字 ---- 什么2都是文件，因此你的网络通信也是一个文件sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(-1 == sockfd){perror("server socket error");exit(1);//没有必要运行了}//2 我们需要将服务器的IP地址绑定到套接字struct sockaddr_in sa;sa.sin_family = AF_INET;//协议族sa.sin_port = htons(port);//端口号  内存是小端的 我们要转大端sa.sin_addr.s_addr = inet_addr(ipaddr);//将我们点分式的ip地址转换为一个大端整数//连接服务器int r = connect(sockfd,(struct sockaddr *)&sa,sizeof(sa));if(-1 == r){perror("connect error");exit(2);}}//开始正常的收发
void function(void)
{char buf[1024] = {0};while(1){printf("输入你要发送的信息（输入quit退出）:");fflush(stdout);scanf("%s",buf);if(!strcmp(buf,"quit")){break;}send(sockfd,buf,strlen(buf) + 1,0);recv(sockfd,buf,1024,0);printf("服务器回我的信息是:%s\n",buf);}
}int main(int argc,char * argv[])
{if(argc < 3){printf("参数都不齐\n");return -1;}TcpInit(argv[1],atoi(argv[2]));function();close(sockfd);return 0;
}

tcp_sever.c

//服务器
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>//全局的套接字
int sockfd = -1;//将套接字创建好  并且绑定 监听
//将ip地址和端口号传进来 端口号释放需要时间(轮询机制)
void TcpInit(const char * ipaddr,unsigned short port)
{//1 创建套接字 ---- 神马都是文件，因此你的网络通信也是一个文件sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(-1 == sockfd){perror("server socket error");exit(1);//没有必要运行了}//2 我们需要将服务器的IP地址绑定到套接字struct sockaddr_in sa;sa.sin_family = AF_INET;//协议族sa.sin_port = htons(port);//端口号  内存是小端的 我们要转大端sa.sin_addr.s_addr = inet_addr(ipaddr);//将我们点分式的ip地址转换为一个大端整数//printf("ipaddr = %x port = %x\n",inet_addr(ipaddr),htons(port));int r = bind(sockfd,(struct sockaddr *)&sa,sizeof(sa));if(-1 == r){perror("server bind error");exit(2);//没有必要运行了}//3 监听连接 ---- 创建一个监听队列   建立5个10个可以了listen(sockfd,5);}//专门用于去服务一个客户的线程
void * ClinetFunction(void * arg)
{pthread_detach(pthread_self());//将其分离int * accceptfd = (int *)arg;printf(" * accceptfd = %d\n", * accceptfd);char buf[1024] = {0};//你发什么信息过来  我就在这个信息之前加上一节 然后回发给你while(1){char sendbuf[1024] = {"SB250->"};int r = recv(*accceptfd,buf,1024,0);//阻塞等待数据过来if(-1 == r){perror("recv error");break;}else if(0 == r)//客户端已经断了{printf("对方断开连接了\n");break;}else//接收到信息了{printf("recv buf = %s\n",buf);strcat(sendbuf,buf);send(*accceptfd,sendbuf,strlen(sendbuf) + 1,0);}}close(*accceptfd);free(accceptfd);}//等待客户端的连接 
void waitconnect(void)
{//我们要基于这个连接套接字去通信struct sockaddr_in sa;socklen_t addrlen = sizeof(sa);while(1){printf("一直等待对方的连接.......\n");int * accceptfd = malloc(4);//避免释放 因此我们要动态内存分配才可以*accceptfd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)&sa,&addrlen);printf("连接者为:%s %d\n",inet_ntoa(sa.sin_addr),ntohs(sa.sin_port));//开一个线程出去  让它去服务与我的连接pthread_t thread;if(pthread_create(&thread,NULL,ClinetFunction,(void *)accceptfd) != 0){perror("create thread error");continue;}}close(sockfd);
}//通过main函数的参数 我们将这个ip地址和端口给进去
//./a.out 192.168.31.251 8888
int main(int argc,char * argv[])
{if(argc < 3){printf("参数都不齐\n");return -1;}TcpInit(argv[1],atoi(argv[2]));waitconnect();return 0;
}

参考博客：

计算机网络——网络字节序(大端字节序（Big Endian）\小端字节序（Little Endian）)-CSDN博客