Linux网络编程概述

Linux网络编程是在Linux操作系统环境下进行的网络相关程序开发，主要用于实现不同计算机之间的数据通信和资源共享。以下从基础知识、网络编程模型、常用函数和编程步骤等方面进行详细介绍：

基础知识

1. 网络协议

  • TCP/IP协议族：是互联网通信的基础协议，包括多个层次的协议。例如，IP协议负责网络层的数据包传输，TCP和UDP协议则工作在传输层。

    • TCP（传输控制协议）：提供面向连接、可靠的、基于字节流的传输服务。在进行数据传输前需要建立连接，传输完成后需要断开连接，适合对数据准确性要求较高的场景，如文件传输、网页浏览等。

    • UDP（用户数据报协议）：提供无连接、不可靠的传输服务。不需要建立连接，数据以数据报的形式发送，适合对实时性要求较高、对数据准确性要求相对较低的场景，如视频会议、实时游戏等。

2. 网络地址

  • IP地址：用于唯一标识网络中的设备，分为IPv4和IPv6两种。IPv4地址由32位二进制数组成，通常表示为点分十进制形式，如192.168.1.1；IPv6地址由128位二进制数组成，采用冒号分隔的十六进制表示。

  • 端口号：用于区分同一设备上不同的网络应用程序，范围从0到65535。其中，0 - 1023为系统保留端口，通常由系统服务使用，如HTTP服务默认使用80端口，HTTPS服务默认使用443端口。

网络编程模型

1. 客户端 - 服务器模型

  • 这是最常见的网络编程模型，由客户端和服务器两部分组成。服务器监听特定的端口，等待客户端的连接请求；客户端主动发起连接请求，与服务器建立连接后进行数据交互。

2. 多进程/多线程模型

  • 多进程模型：服务器为每个客户端连接创建一个新的进程来处理，各个进程之间相互独立，一个进程的崩溃不会影响其他进程。但创建和销毁进程的开销较大，会消耗较多的系统资源。

  • 多线程模型：服务器为每个客户端连接创建一个新的线程来处理，线程共享进程的资源，创建和销毁线程的开销相对较小。但线程之间的同步和互斥问题需要处理，否则可能会出现数据不一致的情况。

3. I/O多路复用模型

  • 使用select、poll或epoll等函数，让一个进程可以同时监听多个文件描述符（包括网络套接字）的读写事件，当某个文件描述符有事件发生时，通知进程进行相应的处理。这种模型可以提高服务器的并发处理能力，减少系统资源的消耗。

常用函数

1. 套接字相关函数

  • socket()：用于创建一个套接字，返回一个文件描述符。例如：

#include <sys/socket.h>
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

其中，AF_INET表示使用IPv4地址族，SOCK_STREAM表示使用TCP协议。

  • bind()：将套接字与指定的IP地址和端口号绑定。例如：

#include <arpa/inet.h>
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_addr.sin_port = htons(8888);
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

  • listen()：将套接字设置为监听状态，等待客户端的连接请求。例如：

listen(sockfd, 5);

其中，5表示允许的最大连接请求队列长度。

  • accept()：接受客户端的连接请求，返回一个新的套接字描述符用于与客户端进行通信。例如：

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);

  • connect()：客户端使用该函数向服务器发起连接请求。例如：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
server_addr.sin_port = htons(8888);
connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

2. 数据读写函数

  • send()/recv()：用于TCP套接字的数据发送和接收。例如：

// 发送数据
char *msg = "Hello, server!";
send(sockfd, msg, strlen(msg), 0);// 接收数据
char buffer[1024];
int n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);

  • sendto()/recvfrom()：用于UDP套接字的数据发送和接收，需要指定目标地址。例如：

// 发送数据
struct sockaddr_in server_addr;
// 初始化server_addr
sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));// 接收数据
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);

编程步骤

1. 服务器端编程步骤

  1. 创建套接字（socket()）。

  2. 绑定套接字到指定的IP地址和端口号（bind()）。

  3. 将套接字设置为监听状态（listen()）。

  4. 接受客户端的连接请求（accept()）。

  5. 与客户端进行数据交互（send()/recv()）。

  6. 关闭套接字（close()）。

2. 客户端编程步骤

  1. 创建套接字（socket()）。

  2. 向服务器发起连接请求（connect()）。

  3. 与服务器进行数据交互（send()/recv()）。

  4. 关闭套接字（close()）。

示例代码

以下是一个简单的TCP服务器和客户端示例代码：

服务器端代码（server.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>#define PORT 8888int main() {int sockfd, connfd;struct sockaddr_in server_addr, client_addr;socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);char buffer[1024];// 创建套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd == -1) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 初始化服务器地址结构memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;server_addr.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 监听套接字if (listen(sockfd, 5) == -1) {perror("listen failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server listening on port %d...\n", PORT);// 接受客户端连接connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);if (connfd == -1) {perror("accept failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Client connected.\n");// 接收客户端数据int n = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer), 0);if (n == -1) {perror("recv failed");exit(EXIT_FAILURE);}buffer[n] = '\0';printf("Received from client: %s\n", buffer);// 发送响应数据char *msg = "Hello, client!";send(connfd, msg, strlen(msg), 0);// 关闭套接字close(connfd);close(sockfd);return 0;
}

客户端代码（client.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8888int main() {int sockfd;struct sockaddr_in server_addr;char buffer[1024];// 创建套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd == -1) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 初始化服务器地址结构memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);server_addr.sin_port = htons(PORT);// 连接服务器if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("connect failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Connected to server.\n");// 发送数据char *msg = "Hello, server!";send(sockfd, msg, strlen(msg), 0);// 接收服务器响应int n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);if (n == -1) {perror("recv failed");exit(EXIT_FAILURE);}buffer[n] = '\0';printf("Received from server: %s\n", buffer);// 关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

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