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
如果觉的博主的文章还不错的话,还请点赞,收藏,关注👀支持博主。如果发现有问题的地方欢迎❀大家在评论区指正
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<arpa/inet.h>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:
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
)。
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_INETunsigned 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 <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>#include "log.hpp"
#include "Task.hpp"
#include "ThreadPool.hpp"namespace server
{enum{USAGE_ERR = 1, // usage_errSOCKET_ERR, // sockft_errBIND_ERR, // bind_errLISTEN_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_streamif (_listensock < 0){logMessage(FATAL, "create error socket");exit(SOCKET_ERR);}logMessage(NORMAL, "create socket success:%d", _listensock);// 2 bind自己的网络信息struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // inaddr_anyif (bind(_listensock, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0){logMessage(FATAL, "bind error ");exit(BIND_ERR);}logMessage(NORMAL, "bind socket success");// 3 设置socket 为监听状态if (listen(_listensock, gbacklog) < 0){logMessage(FATAL, "listen socket success");exit(LISTEN_ERR);}logMessage(NORMAL, "listen socket success");}void start(){for (;;){// 4 server获取链接// sock, 和client进行通信的fdstruct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next");continue;}logMessage(NORMAL, "accept a new link success, get new sock: %d", sock);// 5. 这里就是一个sock,未来通信我们就用这个sock,面向字节流的,后续全部都是文件操作!// version1// serviceIO(sock);// close(sock);// version2多进程版本pid_t id = fork();// 我们让子进程执行的io任务,父进程什么都不做,回收子进程就好if (id == 0){close(_listensock);serviceIO(sock);close(sock);exit(0);}close(sock);// 父进程pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);if (ret > 0){std::cout << "waitsuccess: " << ret << std::endl;}// version3多线程// pthread_t tid;// ThreadData *td = new ThreadData(this, sock);// pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, td);// pthread_join(tid, nullptr);// version4 线程池// ThreadPool<Task>::getInstance()->push(Task(sock, serviceIO));}}// static void *threadRoutine(void *args)// {// pthread_detach(pthread_self());// ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);// serviceIO(td->_sock);// close(td->_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 <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <functional>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 << "recv message" << buffer << endl;// 信息返回string outbuffer = buffer;outbuffer += buffer;outbuffer += "server[echo]";// outbuffer.c_str(),将字符串类型的指针,转换为字符类型的指针write(sock, outbuffer.c_str(), sizeof(outbuffer) - 1);}else if (n == 0){// client退出logMessage(NORMAL, "client quit,me to");break;}}
}class Task
{// using 用于创建类型别名using func_t = function<void(int)>;public:Task(){}Task(int sock, func_t func): _sock(sock), _callback(func){}void operator()(){_callback(_sock);}~Task(){}private:int _sock;func_t _callback;
};
tcpServer.cc:主程序的执行
#include "tcpserver.hpp"
#include "daemon.hpp"
#include <memory>using namespace server;
using namespace std;static void Usage(string proc)
{cout << "\nUsage:\n\t" << proc << " local_port\n\n";
}// tcp服务器,启动上和udp server一模一样
// ./tcpserver local_port
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){Usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}uint16_t port = atoi(argv[1]);unique_ptr<TcpServer> tsvr(new TcpServer(port));tsvr->initServer();// daemonSelf();tsvr->start();// daemonSelf();return 0;
}
2、客户端的编写
tcpclient.hpp:对于客户端的初始化,我们仅仅只是需要创建套接字,而bind操作系统会帮助我们完成。
客户端的启动我们要用connect接收链接
#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>#define NUM 1024
using namespace std;
class tcpclient
{
public:tcpclient(const string &serverip, const uint16_t &serverport): _sock(-1), _serverip(serverip), _serverport(serverport){}void initclient(){// 1 创建套接字_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_sock < 0){std::cerr << "socket create error" << std::endl;exit(2);}}void start(){struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(_serverport);server.sin_addr.s_addr = inet_addr(_serverip.c_str());if (connect(_sock, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) != 0){std::cerr << "socket connect error" << std::endl;}else{string msg;while (true){cout << "Enter#";std::getline(std::cin, msg);write(_sock, msg.c_str(), sizeof(msg));char buffer[NUM];int n = read(_sock, buffer, sizeof(buffer));if (n > 0){// 目前我们把读到的数据当成字符串, 截止目前buffer[n] = 0;std::cout << "Server回显# " << buffer << std::endl;}elsebreak;}}}~tcpclient(){if (_sock >= 0)close(_sock);}private:int _sock;std::string _serverip;uint16_t _serverport;
};
tcpcline.cc:执行程序
#include "tcpclient.hpp"
#include <memory>using namespace std;static void Usage(string proc)
{cout << "\nUsage:\n\t" << proc << " serverip serverport\n\n";
}
// ./tcpclient serverip serverport
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){Usage(argv[0]);exit(1);}string serverip = argv[1];uint16_t serverport = atoi(argv[2]);unique_ptr<tcpclient> tcli(new tcpclient(serverip, serverport));tcli->initclient();tcli->start();return 0;
}
3、日志报告的编写
对于日志报告我们通过对错误进行分类,进行不同等级的日志错误信息输入。
#pragma once#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>// 定义错误类型
#define DEBUG 0 // debug
#define NORMAL 1 // normal
#define WARNING 2 // warning
#define ERROR 3 // error
#define FATAL 4 // fatal致命#define NUM 1024// 定于不同类型日常写入的文件
#define LOG_NORMAL "log.txt"
#define LOG_ERR "log.error"
// 标志位
const char *to_levelstr(int level)
{switch (level){case DEBUG:return "DEBUG";case NORMAL:return "NORMAL";case WARNING:return "NORMAL";case ERROR:return "ERROR";case FATAL:return "FATAL";}
}// 日志信息
void logMessage(int level, const char *format, ...) // 可变参数函数
{// [日志等级] [时间戳/时间] [pid] [messge]// [WARNING] [2023-05-11 18:09:08] [123] [创建socket失败]char logprefix[NUM]; // 存放日志前缀snprintf(logprefix, sizeof(logprefix), "[%d][%ld][pid::%d]",to_levelstr(level), (long int)time(nullptr), getpid());char logcontent[NUM];va_list arg;snprintf(logprefix, sizeof(logprefix), format, arg);FILE *log = fopen(LOG_NORMAL, "a"); // log_normalFILE *err = fopen(LOG_ERR, "a"); // log_errorif (log != nullptr && err != nullptr){FILE *curr = nullptr;if (level == DEBUG || level == NORMAL || level == WARNING)curr = log;if (level == ERROR || level == FATAL)curr = err;if (curr)fprintf(curr, "%s%s\n", logprefix, logcontent);fclose(log);fclose(err);}
}
程序运行测试:
四、TCP协议通讯流程
1、通信流程
TCP协议的通讯流程可以分为以下几个步骤:
创建连接:客户端和服务端都需要创建一个套接字(socket),这通常涉及到系统调用如`socket()`。
连接请求:客户端向服务端的套接字发送连接请求报文,这一步可以通过`connect()`函数来实现。
服务器响应:服务器收到客户端的连接请求后,需要进行确认,以确定是否允许连接。这通常涉及三部分握手:
- 服务器的确认ACK
- 客户端的确认SYN
- 服务器的应答ACK
连接建立:在双方完成了三次握手后,连接正式建立。此时,客户端可以开始发送数据给服务器,而服务器也可以开始接收数据。
数据传输:在这个阶段,客户端和服务器端可以进行数据的读写操作。这些操作包括读取(`recv()`)、写入(`send()`)以及关闭连接(`close()`)。
断开连接:当通信结束后,客户端或服务器端可以选择断开当前的连接。这通常涉及到四次挥手:
- 服务器的释放FIN
- 客户端的确认ACK
- 服务器的确认ACK
- 客户端的释放ACK
错误处理:在通信过程中,可能会遇到各种错误,如数据包丢失或乱序。TCP提供了自动重传机制来处理这些问题。
2、三次握手和四次挥手
TCP三次握手(Three-way Handshake):
客户端发送连接请求(SYN): 客户端向服务器发送一个特殊的TCP报文段,该报文段中设置了SYN(同步)标志位,表明客户端要求建立连接,并指明初始序列号(ISN)。
服务器确认请求并发送自己的连接请求(SYN + ACK): 服务器接收到客户端的连接请求后,向客户端发送一个确认报文段。该报文段中既包含了确认序号(ACK),也设置了SYN标志位,表示服务器同意建立连接,并指明自己的初始序列号。
客户端确认服务器的连接请求(ACK): 客户端接收到服务器的确认报文后,会再次向服务器发送一个确认报文段,其中确认号字段会加1,表示客户端也同意建立连接。
TCP四次挥手(Four-way Handshake)
发起关闭请求: 通信的一方(称为主动关闭方)发送一个FIN报文段,表示它已经完成了数据的发送任务。
接收关闭请求并发送确认: 接收到关闭请求的一方(被动关闭方)收到FIN报文后,会发送一个确认报文,表明它已经接收到关闭请求。
发送数据并发起关闭请求: 被动关闭方发送完所有数据后,也会向主动关闭方发送一个FIN报文段,表示它已经完成了数据的发送任务,并且准备关闭连接。
确认关闭请求并发送关闭确认: 主动关闭方接收到被动关闭方的FIN报文后,会发送一个确认报文,表明它已经接收到了关闭请求。一旦被动关闭方收到了这个确认,连接就会关闭。
在linux下有许多命令,老是忘记,在下面的文章中多会为大家分享一些小命令:
Linux小命令 :
netstat
是一个用于显示网络状态信息的命令行工具,常用于查看网络连接、路由表、接口统计等信息。在给定的命令中,-nltp
参数的含义如下:
-n
: 显示数字形式的地址和端口号,而不进行域名和服务名称的解析。-l
: 仅显示监听状态的连接。-t
: 仅显示TCP协议的连接。-p
: 显示与连接相关的进程标识符(PID)及进程名称。