C++ 网络层接口设计与实现：基于 Socket 编程

在网络编程中，网络层是 OSI 七层模型中负责将数据从源节点传输到目的节点的关键层次。在 C++ 中，网络层的功能通常通过 Socket 编程接口来实现。Socket 提供了一种抽象机制，允许应用程序通过网络发送和接收数据。本文将详细介绍如何在 C++ 中使用 Socket 接口实现网络层的功能。

一、Socket 编程基础

Socket 是一种网络通信接口，用于在不同主机上的进程之间进行通信。它基于 TCP/IP 协议栈的应用层，提供了一组 API，允许不同的进程在不同计算机之间进行通信。

1.1 Socket 类型

在 C++ 中，Socket 主要分为两种类型：

SOCK_STREAM：面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，底层是 TCP 协议。
SOCK_DGRAM：无连接的、不可靠的、基于数据报的传输层通信协议，底层是 UDP 协议。

1.2 主要 Socket 函数

以下是一些常用的 Socket 函数及其用途：

socket()：创建一个新的 Socket。
bind()：将 Socket 绑定到本地的 IP 地址和端口号。
listen()：使 Socket 进入监听状态，等待客户端的连接请求（服务器端使用）。
accept()：接受客户端的连接请求，建立连接（服务器端使用）。
connect()：客户端尝试连接服务器的 Socket。
send() 和 recv()：用于 TCP Socket 的数据发送和接收。
sendto() 和 recvfrom()：用于 UDP Socket 的数据发送和接收。
close()：关闭 Socket 并释放相关资源。

二、TCP Socket 编程示例

2.1 服务器端代码

以下是一个简单的 TCP 服务器端代码示例：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int opt = 1;int addrlen = sizeof(address);// 创建 socket 文件描述符if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 强制绑定 socket 到端口 8080if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {perror("setsockopt");exit(EXIT_FAILURE);}address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(8080);if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}if (listen(server_fd, 3) < 0) {perror("listen");exit(EXIT_FAILURE);}if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}// 发送数据到客户端const char* message = "Hello from server";send(new_socket, message, strlen(message), 0);// 关闭 socketclose(new_socket);close(server_fd);return 0;
}

2.2 客户端代码

以下是一个简单的 TCP 客户端代码示例：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>int main() {struct sockaddr_in serv_addr;int sock = 0;if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {std::cerr << "Socket creation error" << std::endl;return -1;}serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(8080);// 将 IPv4 地址从文本转换为二进制形式if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {std::cerr << "Invalid address/ Address not supported" << std::endl;return -1;}if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {std::cerr << "Connection Failed" << std::endl;return -1;}// 接收数据char buffer[1024] = {0};int valread = read(sock, buffer, 1024);std::cout << "Message from server: " << buffer << std::endl;// 关闭 socketclose(sock);return 0;
}

三、UDP Socket 编程示例

3.1 服务器端代码

以下是一个简单的 UDP 服务器端代码示例：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>int main() {int server_fd;struct sockaddr_in address;int addrlen = sizeof(address);// 创建 socket 文件描述符if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(8080);if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}char buffer[1024] = {0};int n = recvfrom(server_fd, buffer, 1024, 0, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen);buffer[n] = '\0';std::cout << "Message from client: " << buffer << std::endl;// 关闭 socketclose(server_fd);return 0;
}

3.2 客户端代码

以下是一个简单的 UDP 客户端代码示例：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>int main() {struct sockaddr_in serv_addr;int sock = 0;if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {std::cerr << "Socket creation error" << std::endl;return -1;}serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(8080);// 将 IPv4 地址从文本转换为二进制形式if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {std::cerr << "Invalid address/ Address not supported" << std::endl;return -1;}const char* message = "Hello from client";sendto(sock, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));// 关闭 socketclose(sock);return 0;
}