第三天：实现网络编程基于tcp/udp协议在Ubuntu与gec6818开发板之间双向通信

互联网地址

每一台设备接入互联网后，都会举报一个唯一的地址编号

IP地址 INTERNET地址

internet地址 ：它是协议上的一个逻辑地址

目前来说，我们主要的IP地址有两类 IPV4 IPV6

IPV4 其实就是使用一个32bit整数作为IP

IPV6 其实就是使用一个128bit整数作为IP

ipv4

1010 1100 0000 0010 0000 0001 0000 0001 人类是看不到的

172.2.1.1 给人看的"点分式"

每8bit组成一个十进制数，以 ‘.’ 隔开

2^32 个地址

这么多地址，怎么去管理？

类似电话号码 =区号+主机号

[phone]

+86 中国大陆

0731 长沙

12345678 具体那个电话的号码

同理，ip地址也分为两个部分

ip地址=网络号+主机号

网络号：用于标识网络中的某个子网，占ip地址中的高x位

主机号：用于标识同一个子网内的不同主机，占地址中低的(32-x)位

也叫做 子网号 子网主机号

所占的bit位x又怎么确定呢？

netmask 子网掩码，用来确定一个ip地址中，网络号与主机号的占比

IP地址的bit位在子网掩码中对应的bit为1，就是网络号

在子网掩码中为0，就是主机号

比如：

ip 172.2.1.1

netmask 255.255.255.0

网络号 ip&netmask 172.2.1.0

主机号的范围 172.2.1.0 ~ 172.2.1.255

目前ip地址主要分为5类

我们常用的是C类网络

端口号

在网络中，可以提供ip地址来区分不同的网络设备

如果两个设备的IP相同 —》ip冲突，只有一台能够接入网络

问题;一台设备上，或许会运行多个网络应用

比如：我打开QQ给你们传文件，同时还在直播上课

那么网络中，怎么知道传递的数据，是由哪个网络应用发起的呢？

ip只能区分是那一台主机，不能区分是那一个应用

为了区分哪个网络应用传输的数据，需要用到端口号

TCP和UDP都是采用16bit无符号整数来作为端口号标识网络应用

IP —>标识网络中的某个设备

端口 —》标识设备上的某个网络应用

一台主机上的网络应用由：

ip地址+传输层协议（TCP/UDP）+端口号来确定

端口号 由 IANS 来管理

1-1023 众所周知的端口

比如 HTTP应用 80

FTP服务 20

…

1024-49151 注册端口，提供注册端口

49151-65536 动态或者私有端口，可以随便用

字节序

大端模式

高地址存储低字节 低地址存储高字节

小端模式

低地址存储低字节 高地址存储高字节

比如： int a = 0x12345678

&a = 0x4000

内存地址	大端模式存储内容	小端模式存储内容
0x4000	0x12	0x78
0x4001	0x34	0x56
0x4002	0x56	0x34
0x4003	0x78	0x12

不同的系统对于内存的管理方法不同，可能采用大端模式，可能采用小端模式

练习：尝试写一个程序，判断自己的Linux系统是大端模式还是小端模式，并且输出结果

int a = 1; //0x00 00 00 01
char *p = &a
if(*p == 1)
{printf("小端模式\n");
}
else
{printf("大端模式\n");
}

网络字节序采用的是大端模式

网络接口 socket

网络通信接口 socket是一个简单易上手，功能强大的接口

有以下特点：

1.socket是一个编程接口（网络编程接口）

所有的网络程序，都需要基于socket

2.socket也是一个特殊的文件描述符

特殊：可以利用系统文件接口

比如 read write close

但是不能用lseek

它的内容不在文件系统中，也不在内核中，而是在"网络"中

3.socket 是TCP/IP协议的一种代码实现

但是它不仅限于TCP/IP协议，它还支持蓝牙协议，wifi协议,unix域协议

socket独立于具体协议的网络程序接口，位于应用层与传输层之间，负责衔接应用层与传输层

网络通信

网络通信的实现—》 API（应用程序编程接口）

1.socket 创建一个套接字

2.bind 不动，将一个地址（网络应用地址：IP+传输协议+端口）与套接字绑定

3.listen 监听，用于设定服务器监听套接字（监听后就可以获得客户端的请求）

4.accpet 等待连接请求的到来

5.connect 用于发起连接请求

6.通信 数据收发

​ read/write

​ recv/send

​ recefrom/send_to

7.关闭套接字

close 套接字也就是一个文件描述符罢了

思考 在网络通信在，服务器和客户端 双方的通信流程图

1 socket

NAMEsocket - create an endpoint for communicationSYNOPSIS#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>socket用来创建一个通信接口int socket(int domain, int type, int protocol);@domain：指定域，协议族AF_UNIX, AF_LOCAL   Local communication              unix(7)unix域协议/本地协议栈AF_INET             IPv4 Internet protocols          ip(7)IPV4协议族AF_INET6            IPv6 Internet protocols          ipv6(7)IPV6协议族@type：指定套接字类型（选择传输层协议）SOCK_STREAM 流式套接字，面向TCP传输层协议SOCK_DGRAM  数据报套接字，面向UDP传输层协议SOCK_RAW	原始套接字@protocol：协议，指定具体那个协议一般为0，表示默认返回值：成功返回一个整数，是一个套接字文件描述符失败返回-1，并且errno被设置

2 bind

用于绑定服务器地址（IP+传输层协议+端口号）

NAMEbind - bind a name to a socketSYNOPSIS#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>bind 绑定一个"名字”给socket（套接字描述符）int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);@sockfd：指定套接字描述符，就是socket的返回值@addr:指向struct sockaddr 结构体指针，保存的是要绑定的地址@addrlen:地址长度，即参数addr的长度，sizeof (struct sockaddr)返回值：成功返回0，失败返回-1，并且errno被设置

关于网络应用的地址 =IP+传输层协议+端口号

在 头文件<sys/socket.h>中，定义了一个通用的网络应用地址结构体

struct sockaddr {sa_family_t sa_family;//指定协议栈，和socket函数的参数domain相同char        sa_data[14];//数组保存网络应用地址（IP+传输层协议+端口号）}

上面这个结构体，并不是很好赋值和使用，一般在网络编程中，网络应用地址赋值可以采用定义在

/usr/include/netinet/in.h中的结构体 struct sockaddr_in

Structure describing an Internet socket address

以太网地址结构体

struct sockaddr_in{__SOCKADDR_COMMON (sin_);//协议栈   sin_familyin_port_t sin_port;			/* 端口号，网络上一般是大端模式，计算机一般是小端模式  */struct in_addr sin_addr;		/* 指定ip地址. typedef uint32_t in_addr_t;struct in_addr{in_addr_t s_addr;};*//* Pad to size of `struct sockaddr'.  */unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -__SOCKADDR_COMMON_SIZE -sizeof (in_port_t) -sizeof (struct in_addr)];};

eg:某个网络应用

ip 172.2.1.11

端口 6666

struct sockaddr_in addr;//定义一个网络应用地址结构体addr
addr.sin_family=AF_INET;//协议族
addr.sin_port = htons(6666);//端口号是网络字节序，短整型
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(172.2.1.11);//点分式IP转为32bit整数
int ret = 0;//返回值
ret = bind(sockfd,(struct sockaddr)&addr,sizeof(addr));
if(ret == -1)
{perror("bind error");return -1;
}
//bind 之后，进程就有了一个网络应用地址，能够进行网络通信

端口本地字节序转网络字节序

h host 主机

to 转换成

n network 网络

s short 16bit

l long 32bit

NAMEhtonl, htons, ntohl, ntohs - convert values between host and network byte orderSYNOPSIS#include <arpa/inet.h>uint32_t htonl(uint32_t hostlong);将本地字节序转换成网络长整型uint16_t htons(uint16_t hostshort);将本地字节序转换成网络短整型uint32_t ntohl(uint32_t netlong);将网络字节序转换成本地长整型uint16_t ntohs(uint16_t netshort);将网络字节序转换成本地短整型参数就是需要转换的数据返回值就是转换之后的数据

点分式ip与32bit ip的转换

NAMEinet_aton, inet_addr, inet_network, inet_ntoa, inet_makeaddr, inet_lnaof, inet_netof - Internet address manipulation routinesSYNOPSIS#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>inet_addr是用来将cp指定的点分式ip转换成32bit整数ip返回in_addr_t inet_addr(const char *cp);@cp 指针，指向要转换的点分式字符串ip成功返回转换后的32bit整数

网络通信

网络通信的实现—》 API（应用程序编程接口）

1.socket 创建一个套接字

2.bind 不动，将一个地址（网络应用地址：IP+传输协议+端口）与套接字绑定

3.listen 监听，用于设定服务器监听套接字（监听后就可以获得客户端的请求）

4.accpet 等待连接请求的到来

5.connect 用于发起连接请求

6.通信 数据收发

​ read/write

​ recv/send

​ recefrom/send_to

7.关闭套接字

close 套接字也就是一个文件描述符罢了

思考 在网络通信在，服务器和客户端 双方的通信流程图

1 socket

NAMEsocket - create an endpoint for communicationSYNOPSIS#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>socket用来创建一个通信接口int socket(int domain, int type, int protocol);@domain：指定域，协议族AF_UNIX, AF_LOCAL   Local communication              unix(7)unix域协议/本地协议栈AF_INET             IPv4 Internet protocols          ip(7)IPV4协议族AF_INET6            IPv6 Internet protocols          ipv6(7)IPV6协议族@type：指定套接字类型（选择传输层协议）SOCK_STREAM 流式套接字，面向TCP传输层协议SOCK_DGRAM  数据报套接字，面向UDP传输层协议SOCK_RAW	原始套接字@protocol：协议，指定具体那个协议一般为0，表示默认返回值：成功返回一个整数，是一个套接字文件描述符失败返回-1，并且errno被设置

2 bind

用于绑定服务器地址（IP+传输层协议+端口号）

NAMEbind - bind a name to a socketSYNOPSIS#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>bind 绑定一个"名字”给socket（套接字描述符）int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);@sockfd：指定套接字描述符，就是socket的返回值@addr:指向struct sockaddr 结构体指针，保存的是要绑定的地址@addrlen:地址长度，即参数addr的长度，sizeof (struct sockaddr)返回值：成功返回0，失败返回-1，并且errno被设置

关于网络应用的地址 =IP+传输层协议+端口号

在 头文件<sys/socket.h>中，定义了一个通用的网络应用地址结构体

struct sockaddr {sa_family_t sa_family;//指定协议栈，和socket函数的参数domain相同char        sa_data[14];//数组保存网络应用地址（IP+传输层协议+端口号）}

上面这个结构体，并不是很好赋值和使用，一般在网络编程中，网络应用地址赋值可以采用定义在

/usr/include/netinet/in.h中的结构体 struct sockaddr_in

Structure describing an Internet socket address

以太网地址结构体

struct sockaddr_in{__SOCKADDR_COMMON (sin_);//协议栈   sin_familyin_port_t sin_port;			/* 端口号，网络上一般是大端模式，计算机一般是小端模式  */struct in_addr sin_addr;		/* 指定ip地址. typedef uint32_t in_addr_t;struct in_addr{in_addr_t s_addr;};*//* Pad to size of `struct sockaddr'.  */unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -__SOCKADDR_COMMON_SIZE -sizeof (in_port_t) -sizeof (struct in_addr)];};

eg:某个网络应用

ip 172.2.1.11

端口 6666

struct sockaddr_in addr;//定义一个网络应用地址结构体addr
addr.sin_family=AF_INET;//协议族
addr.sin_port = htons(6666);//端口号是网络字节序，短整型
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(172.2.1.11);//点分式IP转为32bit整数
int ret = 0;//返回值
ret = bind(sockfd,(struct sockaddr)&addr,sizeof(addr));
if(ret == -1)
{perror("bind error");return -1;
}
//bind 之后，进程就有了一个网络应用地址，能够进行网络通信

端口本地字节序转网络字节序

h host 主机

to 转换成

n network 网络

s short 16bit

l long 32bit

NAMEhtonl, htons, ntohl, ntohs - convert values between host and network byte orderSYNOPSIS#include <arpa/inet.h>uint32_t htonl(uint32_t hostlong);将本地字节序转换成网络长整型uint16_t htons(uint16_t hostshort);将本地字节序转换成网络短整型uint32_t ntohl(uint32_t netlong);将网络字节序转换成本地长整型uint16_t ntohs(uint16_t netshort);将网络字节序转换成本地短整型参数就是需要转换的数据返回值就是转换之后的数据

点分式ip与32bit ip的转换

NAMEinet_aton, inet_addr, inet_network, inet_ntoa, inet_makeaddr, inet_lnaof, inet_netof - Internet address manipulation routinesSYNOPSIS#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>inet_addr是用来将cp指定的点分式ip转换成32bit整数ip返回in_addr_t inet_addr(const char *cp);@cp 指针，指向要转换的点分式字符串ip成功返回转换后的32bit整数

3 listen

设置监听，用于监听网络上是否有客户端向“我”（服务器）发起链接请求

NAMElisten - listen for connections on a socketSYNOPSIS#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);@sockfd:指定要监听的套接字描述符@backlog:监听数量，大于0就行了返回值：成功返回0  失败返回-1，并且errno被设置

listen设置去监听套接字描述符，以便知道是否有人(客户端)向我(服务器)发起链接请求

但是listen只监听，不处理链接

Eg:

int ret = 0;
ret = listen(sockfd,10);
if (ret == -1)
{perror("listen error");
}

4 accept

用于等待链接请求，并且处理链接请求

accpet会阻塞进程的运行，直到客户端向服务器发起了链接请求（客户端调用了connect)

NAMEaccept, accept4 - accept a connection on a socketSYNOPSIS#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);@sockfd:指定套接字描述符@addr:指向struct sockaddr 结构体空间地址用于存储客户端的地址@addrlen:指socklen_t空间地址addrlen参数在使用前，需要先赋值 参数addr的长度因为在函数内部，会先利用addrlen的值来确保捕获导致内存溢出返回值：成功返回一个非负数，该值是一个文件描述符===》链接套接字描述符用于 服务器与链接的客户端的通信接口也就是说服务器是提供accept的返回值 来收发客户端的消息失败 返回-1，并且errno被设置

eg:

struct sockaddr_in caddr;//用于保存客户端的地址
socklen_t caddr_len = sizeof(caddr);//保存客户端地址长度，使用前保存该地址空间的长度
int connfd = 0;//用于保存 链接套接字描述符
connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,$caddr_len);
if(connfd == -1)
{perror("accept error");return -1;
}

如果accept指向成功，则connfd就是服务器与客户端之间的通信接口

如果我们是多次调用accept，那么九年允许多个客户端连接，并且每个客户端连接上来后

服务器上都有一一对应的connfd

5 connect

用于客户端向服务器发起链接请求

NAMEconnect - initiate a connection on a socketSYNOPSIS#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);@sockfd:指定套接字描述符@addr:指定要连接的服务器的地址@addrlen:addr的长度返回值：成功返回0失败返回-1，并且errno被设置

客户端调用 connect发起连接请求后，服务器的acceot接收到连接请求，并返回一个connfd用于服务器与客户端的通信接口

此时，客户端写入/发送数据给sockfd的数据就会通过网络传递给服务器的connfd

服务器就可以从connfd中读取/接收 这些数据

eg:

int ret = 0;
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_family=AF_INET;//IPV4协议族
saddr.sin_port = htons(6666);//端口号是网络字节序，短整型
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(172.2.1.110);//客户端的ip
ret = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr，sizeof(saddr));
if (ret == -1)
{perror("connect error");return -1;
}

6 数据收发

1 read/write

socket的网络通信，其利用的是文件描述符（符合Linux的设计哲学）

2 recv/send 接收/发送

recv 结束

NAMErecv, recvfrom, recvmsg - receive a message from a socketSYNOPSIS#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>recv用于从指定的套接字描述符中接收数据（同read)ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);@sockfd:指定套接字描述符，即从那个接收输入@buf:指向一块缓存区，用于存储接收到的数据@len：指定要接收的字节数@flags:接收标志位0 默认接收，带阻塞接收如果能接收到数据就接收数据如果不能接收到数据，就一直等待，直到接收到数据MSG_DONTWAIT  不阻塞接收如果能够接收到数据，则接收数据如果不能接收到数据，则直接返回返回值：>0 成功返回实际接收到的字节数0 什么都没有接收到-1 接收失败，并且errno被设置

send 发送

NAMEsend, sendto, sendmsg - send a message on a socketSYNOPSIS#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>send 用于向套接字描述符中发送数据ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);@sockfd:指定套接字描述符，即发送到那里去@buf:指向要发送的数据@len:要发送的数据大小，单位字节@flags:发送标志位0 阻塞发送MSG_DONTWAIT 非阻塞发送返回值 成功返回实际发送的字节数(>=0)失败返回-1 并且errno被设置

3 recvfrom/sendto

从哪里接收/发送给谁

特点

recvfrom 可以保存是谁发送过来的数据（保存发送者的地址）

sendto 可以指定发送的对象（地址），定向发送

一般用于UDP通信，很少使用在TCP通信中？WHY?

因为TCP面向连接的通信，在通信前就已经要求通信双方建立连接

UDP是非连接的通信，所以他需要指定发送给谁，要保留发送者的地址

recvfrom

NAMErecv, recvfrom, recvmsg - receive a message from a socketSYNOPSIS#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);@前面四个参数 同recv@src_addr:指向一个 struct sockaddr缓存区（地址），用于存储对方的地址@addrlen:指向一个 socklen_t缓存区（地址）用于存储对方地址的长度src_addr和addrlen的使用，参考accept函数

sendto

NAMEsend, sendto, sendmsg - send a message on a socketSYNOPSIS#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);@前四个参数 同send@dest_addr：指向一个 struct sockaddr缓存区（地址），表示发送给谁@addrlen：即dest_addr的长度

4 recvmsg/sendmsg

以结构体的形式 发送数据/接收数据

7 关闭套接字

套接字： socket 套接字描述符

服务器：用于监听，看是否有客户端发起连接请求

客户端：用于客户端与服务器的通信接口

close 关闭套接字

shutdown

NAMEshutdown - shut down part of a full-duplex connectionSYNOPSIS#include <sys/socket.h>shutdown用于关闭一个链接通道int shutdown(int sockfd, int how);@sockfd:指定套关闭那个链接通道@how:怎样关闭SHUT_RD 关闭读SHUT_WR 关闭写SHUT_RDWR 关闭读写返回值：成功返回0失败返回-1，并且errno被设置

eg:我们搭建的服务器，只获取客户端的信息，而不用给客户端发送信息

则可以关闭链接套接字的写功能

shutdown(connfd,SHUT_WR); //connfd 就变成了只读

结合已有函数和示例代码，查看流程图

尝试搭建一个TCP服务器

create_tcpserver 创建TCP服务器

1 创建socket套接字 网络通信接口

2 bind 绑定网络应用地址（便于其他应用找到本程序的通信接口）

3 listen 设置监听（内核监听是否有客户端向服务器发起连接请求）

mian

1 创建服务器 create_tcpserver

2 等待客户端的连接请求，并于客户端建立连接 accept的返回值connfd就是一个用来与客户端通信的描述符

（链接套接字描述符）

3 根据需求，编写与客户端的通信

案例：实现Ubuntu与开发板互相通信

点此跳转查看案例源码