Linux网络 - 指南
网络协议
概念
协议是一种约定，计算机有很多层，每一层都要有自己的协议，比如说关于如何处理发来的数据的问题，就有http，https，ftp等协议，关于长距离传输数据丢失的问题，就有tcp协议，关于如何定位主机的问题，就有ip协议，在我们传输信息的时候，多余的东西就是协议报头，协议就是一个结构体对象，两边的主机都知道这个结构体，所以传输过去的时候另外一台主机就可以立刻认识。计算机的生产厂商有很多，操作系统也有很多，为了让这些厂商生产的电脑能够通信，就需要一个约定，这就是网络协议
协议分层
高内聚低耦合降低软件的维护成本，比如说在表示层出的错和其他层没关系，只需要修改表示层的bug即可
上三层压缩为一层，会话层和表示层交给应用层，其实我们接下来需要了解的就只有五层
每一个设备虽然操作系统不同，但都遵守下面这个层次结构，这样各种不同的设备才能通信，局域网是可以直接通信的，以太网是局域网中的其中一个网络协议，大部分局域网都使用以太网协议
数据从客户端到最地下的以太网驱动程序，每一层都需要添加每一层协议的报头，所以最终发送的报文就是：报文=报头+有效载荷（数据）,比如说应用层的有效载荷就是我们需要传输的数据，传输层的有效载荷就是我们需要传输的数据+应用层的FTP协议，另外一边接受的时候也可以区分报头和有效载荷，并分离，这就是解包过程，所以通信的过程本身就是不断的封装和解包的过程，在解包的时候将有效载荷交付上层称为分用
数据链路层
每一台主机都有网卡，网卡有一个Mac地址，Mac地址只需要保证在局域网里的唯一性即可，每台主机只有一个Mac地址。每一个机器其实都可以接收到报文，在数据链路层的这一层可以解包出这个报文的目标主机和源主机，然后对报文里的ip信息对比看看是不是自己的主机ip，如果是就处理，不是就丢弃报文，而在数据链路层丢弃的数据，上层是不知道的。
任何一个时刻可以由多个主机接受局域网里发生的消息，但一个时刻只能允许一个主机发送消息，可以把局域网看成多台主机共享的临界资源。
在以太网通信的时候，由于是光电信号，就会发生数据碰撞问题，所以发送数据的主机要执行避免碰撞的算法，错峰发送。碰撞域表示在以太网里有可能发生数据碰撞的区域。
在通信的时候其实有一个设备称为交换机，如果判断两太通信的主机都在交换机的一侧，无论是正常传输还是数据发生碰撞，交换机都不会把数据继续传输到另外一侧，就不会让数据在更大的局域网里传输，通过这样划分碰撞域就可以减少数据碰撞的概率。
但这里存在安全问题，网卡分为普通模式和混杂模式，混杂模式下的网卡会把数据上传给上层，所以我们的数据需要加密。
令牌环网：和局域网一样，每一个时刻都只能有一个主机往令牌环网发送消息，只有具有令牌的主机才能往令牌环网发送消息，这个令牌类似于系统编程里面的锁的概念
IP层
Mac是应用于局域网，只在局域网里的唯一性，而IP地址是保证在全网里的唯一性的，其实在数据传输过程中有两套地址，Mac地址会一直根据目的地址而改变，而IP地址始终不变，现在的IP地址一般使用IPv4，代表IP地址有四字节，还有其他的，比如说IPv6等等，IPv6有128个比特位表示IP地址，大概16个字节
如果目标主机和源主机不在同一个子网，源主机就要先把数据交给路由器，路由器解包后，知道Mac的源地址和目标地址确认这个数据需要通过自己传出去，通过查自己的表才能转发到另外一台主机，路由器可以通过解包封装再次把报文传出去，这是把以太网协议转化为令牌环网协议，这样IP协议依靠路由器屏蔽了底层网络的差异化，而路由器需要搭配两张网卡才能实现这种功能
所以IP地址在传输过程中一般不会发生改变，但Mac地址在出局域网后会丢弃源和目的的地址，由路由器重新包装
ifconfig基本概念
日常网络通信的本质是进程间通信，不同的是，系统编程里进程是在内存中传送数据的，网络通信是在网络协议栈中传输数据的，网络通信是在网络协议中的下三层（传输层，网络层，数据链路层）主要是用来把数据安全可靠的传输到远端机器，传输层需要把数据安全可靠的传到上层，主要是使用端口号，每一个软件都有不同的端口号，假设我们在一个应用客户端里要传输数据到服务端,就要把源端口号和目标端口号写到报文里，传输出去，这样服务端的传输层就能准确的把数据传输到服务端的上层，当我们要把数据从服务端传回去的时候，就要把源端口号和目标端口号倒一下即可
端口号
在公网上IP可以标识唯一一台主机，端口号port用来表示这台主机上唯一的进程，其实进程pid也可以标识进程的唯一性，但端口号的引入可以实现系统和网络的解耦，把数据从源主机传输到目标主机的传输层，需要进行一次哈希运算，把端口号和进程的task_struct映射，这样就能找到对应的进程，所以在cs结构里，每一个服务器（s端）对外的端口号都是确定的。
一个进程可以有多个端口号，只要保证在自底向上映射的时候是唯一的即可，一个端口号不能被多个进程共享
0-1023是知名端口号，像http，ftp等应用层协议是固定的，ssh服务器使用22端口，ftp使用21端口，telnet服务器使用23端口，从1024-65535是操作系统动态分配的端口号，可以让普通用户进行绑定,下面这个指令可以查看服务器对应端口号
vim /etc/services
netstat
netstat -选项 #可以查看本地通信和网络通信
#n 拒绝显示别名，能显示数字的全部转化成数字
#l 仅列出有在 Listen (监听) 的服务状态
#p 显示建立相关链接的程序名
#t (tcp)仅显示tcp相关选项
#u (udp)仅显示udp相关选项
#a (all)显示所有选项，默认不显示LISTEN相关iostat可以查看网络io的使用情况
pidof
pidof 进程名可以用来把与服务名相关的进程的pid显示出来
传输层协议
在TCP/IP协议中，用“源IP”，“目的IP”，“源端口”，“目的端口”，“协议号”这样的五元组来表示一个通信，udp和tcp都是全双工的（在接收信息的时候可以同时发送消息）
TCP协议
有连接，可靠传输，面向字节流，但维护成本高，因为在通信途中没有确认传输成功之前，TCP就需要把数据存在传输层维护起来。
发送数据实际上和把数据刷新到磁盘一模一样，在用户层都有缓冲区，然后用户层缓冲区把数据交给操作系统内核的缓冲区，操作系统决定把数据交给底层的磁盘，就叫刷新到磁盘，如果交给底层的网卡，就叫做网络通信，但本质都是拷贝。
TCP的文件描述符只有一个，但这一个文件描述符既可以读，也可以写，因为TCP的两端的文件描述符对应的struct file都有两个缓冲区，一个用于读，一个用于写，所以TCP是可以控制发送的，等操作系统觉得什么时候可以发送了，数据才能发送，而udp做不到这一点，因为udp没有发送缓冲区
报文格式
前20字节属于tcp的标准报头
数据偏移（首部长度）：表示报头长度+选项长度是多少，如果没有选项，那么这个值就是20，但首部长度只有4位，表示范围是0-15，但计算的单位是4字节，所以表示的范围是0-60字节，而标准报头是20字节，所以选项最多是40字节，然后通过固定长度分离
16位窗口大小：基于确认应答机制，当服务器给客户端确认应答的时候会发送完整报文或者报头，服务器会在窗口填上服务器接收缓冲区的剩余大小，同理，当客户端确认应答的时候也可以使用同样的方法
序号：
确认序号：
流量控制
服务器是有接收缓冲区和发送缓冲区的，当客户端不断向服务器发送消息，但服务器来不及处理的时候，会选择让客户端发慢一点，从而有时间处理接收缓冲区里的内容，这就是流量控制，否则会导致大面积丢包。而tcp是可以重传的，即使不进行流量控制，丢包之后也可以让客户端重新发送报文，但这样会消耗大量的网络带宽资源，造成低效率的问题
确认应答机制
tcp是通过确认应答机制保证数据的可靠性的，也就是说客户端在给服务器发送消息后，服务器确认接收到正确的消息，然后就会确认应答，而发送消息和确认应答实际上都会携带完整的TCP报文或者报头
自定义协议
比如说我们要实现一个网络计算器协议，客户端可以传输字符串，但不好读取，也可以传输结构体，但涉及内存对齐的问题，就会导致有些地方用不了
所以这里就涉及到序列化和反序列化的问题，序列化就是指我们把约定好的结构体转化为一个字符串，反序列化就是指我们把字符串转化为约定好的结构体,这也是OSI七层模型里的表示层，关乎我们自己定义的协议，socket套接字是传输层里的，代码里的TCP服务相当于是会话层，用于建立新链接
网络计算器的代码位置
上述代码的序列化和反序列化其实可以使用JSON工具代替，但如果我们需要使用这个库的话，需要先安装
sudo yum install jsoncpp-devel -y出现下图就安装成功了
#include<jsoncpp/json/json.h>
#include<string>
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
//序列化
Json::Value root;
root["_size"]=7;
root["_a"]=20;
root["_op"]='+';
root["_b"]=50;
//value是万能对象，甚至可以套Json
//Json::Value test;
//eg.root["_test"]=test;
Json::FastWriter w;
//Json::StyledWriter w;//可读性比较强
string ret=w.write(root);
cout<<
"ret:"<<ret<<endl;
//反序列化
Json::Value v;
Json::Reader r;
r.parse(ret,v);
int size=v["_size"].asInt();
int a=v["_a"].asInt();
int b=v["_b"].asInt();
char op=v["_op"].asInt();
cout<<
"size:"<<size<<endl;
cout<<
"a:"<<a<<endl;
cout<<
"op:"<<op<<endl;
cout<<
"b:"<<b<<endl;
return 0;
}使用这个库的时候，因为是.so，所以在编译的时候需要指定动态库
UDP协议
无连接，不可靠传输，面向数据报
UDP报头+有效载荷
16位UDP长度指的是整个报头的长度，16位有效载荷的长度指的是数据的长度，也就是UDP长度-8
不可靠传输：如果UDP检验失败，会直接把报文丢弃，并不会通知对方再发送一次，也就是没有重传机制
面向数据报：如果需要传输一个10kB的数据，sendto传一次，那么recvfrom也只能接收一次，而不能循环调用10次recvfrom，每次1kB
UDP是没有发送缓冲区的，调用sendto直接交给链路层，只有接收缓冲区，如果接收缓冲区满了，后来的数据报会直接被丢弃，而且UDP不保证可靠性，可能传输来的数据报顺序是乱的
UDP的长度最多是2^16B,也就是64KB，不能通过UDP发送超过64KB的数据，比较常用于直播，视频等内容
struct udp_header
{
uint16_t src_port;
uint16_t dest_port;
uint16_t udp_len;
uint16_t check;
};udp的报文是用一个称为sk_buff的结构体描述的
struct sk_buff
{
//struct udp_header | 需要发送的数据 | 其他
char* start;
//指向结构体的开头
char* pos;
//指向报文的有效部分
char* end;
//指向结构体的结尾
.....
struct sk_buff* next;
//指向下一个报文
};DNS等应用层协议底层就是基于UDP协议的
网络字节序
网络数据流也有大小端之分，低位数据放在低位，高位数据放在高位则为小段，反之则为大端，但一台机器并不是固定大端或者小端，所以如果当前发送消息的主机是小端，就需要先将数据转为大端，发送主机通常会按内存地址从低到高发出
套接字
套接字编程包括域间套接字编程，主要是用于一个主机内的进程间通信，也是网络套接字的子集，网络套接字编程，主要是用于用户间的网络通信，原始套接字编程，主要是用于绕过传输层，直接使用网络层和数据链路层传输数据，通常用于编写一些网络工具，如果想将网络接口统一抽象化，参数的类型必须是统一的，我们会发现其实这三种并不一样，但我们接口只设计了第一种类型，因为我们在这里面设计了一个判断逻辑，如果前两个字节等于AF_INET，就变成第二种类型，如果等于AF_UNIX，就变成第三种类型，这样的接口就会变成通用的了
UDP
在云服务器本地的时候，是可以通过私有ip访问的，还有本地环回ip，但在其他机子上只能使用公网ip进行访问
创建套接字
第一个参数表示我们将来要创建的套接字的域，比如说AF_LOCAL表示域间套接字，我们一般使用AF_INET表示使用IPv4
第二个参数表示定义出来的套接字的类型，比如说SOCK_STREAM表示流式套接字，SOCK_DGRAM表示数据报套接字
第三个参数表示协议类型
返回值：如果申请成功，那么会返回一个文件描述符，如果创建失败则返回-1
绑定端口号
第二个参数传的是一个结构体struct sockaddr,我们可以使用结构体struct sockaddr_in，使用bzero/memset将这个结构体置为0，然后如果我们想对这个结构体进行设置的时候，需要包含头文件< netinet/in.h >,我们可以包含< arpa/inet.h >在这个头文件里，包含大小端的函数，也可以帮我们把字符串风格的IP地址转为4字节的IP地址，比如说inet_addr这种函数。
当我们包含完头文件的时候，可以使用结构体，struct sockaddr有四个字段，sin_zero表示填充字段，没有实际意义
sin_addr表示当前主机ip，填充的是点分十进制表示的字符串ip地址，但我们一般传进来的都是字符串，所以我们需要把字符串转为整数，sin_addr是一个结构体，里面还有一个uint32_t的字段
//字符串切割
//把字符串转为整数
struct ip
{
uint8_t part1;
uint8_t part2;
uint8_t part3;
uint8_t part4;
};
uint32_t host_ip;
struct ip* x=(struct ip*)&host_ip;
x->part1=stoi("111");
x->part2=stoi("222");
x->part3=stoi("33");
x->part4=stoi("44");
//如果ip要被网络使用，也必须要转化为网络序列，上述的part1到part4修改一下顺序就可以表示自己需要的序列
//把整数转为字符串
string host_ip=to_string(ip->part1)+"."+to_string(ip->part1)+"."+to_string(ip->part1)+"."+to_string(ip->part1)+".";上述把字符串转为整数的也就是inet_addr这个函数
sin_family表示当前使用的域或者是协议家族，如下图，我们可以选择AF_INET，如果转向定义可以参考宏的概念的##
sin_port表示端口，但在传这个端口的机器有大端也有小端，我们可以通过调用以下的接口把主机字节顺序调整为网络字节顺序，h开头表示把主机字节顺序转化为网络字节顺序，n开头表示把网络字节顺序转化为主机字节顺序
第三个参数其实是这个结构体的大小
如果绑定成功，那么返回0，如果绑定失败返回-1，并且设置错误码
#pragma once
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include"log.hpp"
#include<string>
#include<cstring>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#define SIZE 1024
enum{
Socketerror,
Binderror,
Recverror,
Senderror
};
string defaultip="0.0.0.0";
uint32_t defaultport=3306;
class UDPserver
{
public:
UDPserver(const string ip=defaultip,uint32_t port=defaultport)
:_ip(ip)
,_port(port)
,_isrunning(true)
{
}
void Init()
{
//创建套接字
int socketfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
if(socketfd<
0)
{
log(Fatal,"socket fail,socket return a val is %d\n",socketfd);
exit(Socketerror);
}
_socketfd=socketfd;
log(Info,"create socket success\n");
//绑定套接字
struct sockaddr_in structaddr;
//sin_addr是一个结构体，里面有一个变量为s_addr,在赋值的时候需要转化为网络序列
structaddr.sin_addr.s_addr=htons(inet_addr(_ip.c_str()));
structaddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
//表示ip地址为0x00000000 #define INADDR_ANY ((in_addr_t) 0x00000000)
//sin_family有用到宏定义里的##
structaddr.sin_family=AF_INET;
//由于在传数据的时候也需要把自己的端口号传出去，所以也需要转化为网络序列
structaddr.sin_port=htons(_port);
int n=bind(socketfd,(const struct sockaddr*)&structaddr,sizeof(structaddr));
if(n<
0)
{
log(Fatal,"bind fail,return val is %d\n",n);
exit(Binderror);
}
log(Info,"bind success\n");
}
~UDPserver()
{
}
private:
int _socketfd;
string _ip;
uint32_t _port;
bool _isrunning;
};
服务器
接收消息
recvfrom用于接收消息，第一个参数表示自己的套接字，第二，三个参数用于读取所需要的字段，第四个参数用于判断是否需要阻塞，如果为0则要阻塞，第五六个参数都是输出型参数，当接收成功的时候返回收到的字节数量，接收失败的时候返回-1
发送消息
sendto用于发送消息，第一个参数表示自己的套接字，第二，三个参数用于读取所需要的字段，第四个参数用于判断是否需要阻塞，如果为0则要阻塞，第五六个参数是输入型参数，传入的是当时接收消息的结构体和结构体大小，当发送成功的时候返回发送的字节数量，发送失败的时候返回-1
#pragma once
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include"log.hpp"
#include<string>
#include<cstring>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#define SIZE 1024
enum{
Socketerror,
Binderror,
Recverror,
Senderror
};
string defaultip="0.0.0.0";
uint32_t defaultport=3306;
class UDPserver
{
public:
UDPserver(uint32_t port=defaultport,const string ip=defaultip)
:_ip(ip)
,_port(port)
,_isrunning(true)
{
}
void Init()
{
//创建套接字
int socketfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
if(socketfd<
0)
{
log(Fatal,"socket fail,socket return a val is %d,error is %s\n",socketfd,strerror(errno));
exit(Socketerror);
}
_socketfd=socketfd;
log(Info,"create socket success\n");
//绑定套接字
struct sockaddr_in structaddr;
//sin_addr是一个结构体，里面有一个变量为s_addr,在赋值的时候需要转化为网络序列
//structaddr.sin_addr.s_addr=htons(inet_addr(_ip.c_str()));
structaddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
//表示ip地址为0x00000000 #define INADDR_ANY ((in_addr_t) 0x00000000)
//sin_family有用到宏定义里的##
structaddr.sin_family=AF_INET;
//由于在传数据的时候也需要把自己的端口号传出去，所以也需要转化为网络序列
structaddr.sin_port=htons(_port);
int n=bind(socketfd,(const struct sockaddr*)&structaddr,sizeof(structaddr));
if(n<
0)
{
log(Fatal,"bind fail,return val is %d,error is %s\n",n,strerror(errno));
exit(Binderror);
}
log(Info,"bind success\n");
}
void run()
{
char inbuffer[SIZE];
char outbuffer[SIZE];
while(_isrunning)
{
//接收消息
struct sockaddr_in recvstruct;
socklen_t len=sizeof(recvstruct);
cout<<
"run success,ip is "<<_ip<<
"port is "<<_port<<endl;
int ret=recvfrom(_socketfd,inbuffer,sizeof(inbuffer),0,(struct sockaddr*)&recvstruct,&len);
if(ret<
0)
{
log(Warning,"recv fail ,return value is %d,error is %s\n",ret,strerror(errno));
exit(Recverror);
}
log(Info,"receive message success\n");
//设计一个echo
//回发消息
ret=sendto(_socketfd,inbuffer,sizeof(inbuffer),0,(const sockaddr*)&recvstruct,len);
if(ret<
0)
{
log(Warning,"send message fail,return value is %d,error is %s\n",ret,strerror(errno));
exit(Senderror);
}
log(Info,"send message success\n");
}
}
~UDPserver()
{
}
private:
int _socketfd;
string _ip;
uint32_t _port;
bool _isrunning;
};#include"UDPserver.hpp"
void usage()
{
cout<<
"use:./UDPserver port"<<endl;
}
int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=2)
{
usage();
exit(0);
}
uint16_t arg=stoi(argv[1]);
UDPserver* server=new UDPserver(arg);
server->
Init();
server->
run();
return 0;
}问题
ip问题
如果我们是在虚拟机上运行，这个代码是不会有错的，但云服务器会出错，因为云服务器禁止绑定公网IP，但可以绑定本地ip，如果我们绑定的ip地址是0，表示我们不会将这台ip地址动态绑定，所以发给这台主机的数据都可以通过端口号访问，根据端口号向上交付，所以这台机器如果有多个ip地址，就可以同时接收发往这些ip地址的消息，这也就是任意地址绑定
一些机器可能有多个ip，但如果本台机器只绑定了其中一个固定ip，那么这台机器就无法接收发往另外一个ip的消息。
端口号问题
当我们把端口号改成80，则会绑定失败，因为权限不够，系统里比较小的端口号一般要有固定的应用层协议，一般我们绑定端口号都要绑到1024以上，端口号一般是在0-65535之间
但如果我们使用root账户的权限还是可以绑定的
本地环回地址
这里的127.0.0.1就是本地环回地址，这个地址是可以在任意服务器下直接绑定的，如果主机绑定了这个地址，那么这个主机只能用于本地的进程间通信，也就是在主机的网络协议栈走了一遍，但并没有给我们推送到网络里,通常用于client-server的测试
客户端
客户端的端口号需要绑定，但不允许用户自主绑定，而是由系统自动分配，客户端的端口号是多少并不重要，只要保证唯一性即可，所以我们可以直接启动，用sendto直接向服务器发送报文，再用recvfrom接收即可。
可以使用Windows直接和Linux通信
#pragma once
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include"log.hpp"
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<string>
#include<cstring>
using namespace std;
#define SIZE 1024
enum{
socketerror,
sendtoserver,
recvfromserver
};
class UDPclient
{
public:
UDPclient(string ip,uint32_t port)
:_serverip(ip)
,_serverport(port)
,isrunning(true)
{
int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
if(sockfd<
0)
{
log(Fatal,"socket fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
exit(socketerror);
}
_sockfd=sockfd;
log(Info,"socket success\n");
}
void run()
{
struct sockaddr_in dest;
dest.sin_addr.s_addr=inet_addr((_serverip.c_str()));
dest.sin_family=AF_INET;
dest.sin_port=htons(_serverport);
socklen_t len=sizeof(dest);
while(isrunning)
{
//发送消息
cout<<
"please enter#";
cin.getline(sendbuffer,sizeof(sendbuffer));
int sendret=sendto(_sockfd,sendbuffer,sizeof(sendbuffer),0,(const struct sockaddr*)&dest,len);
if(sendret<
0)
{
log(Warning,"send to server fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
exit(sendtoserver);
}
cout<<sendbuffer<<endl;
log(Info,"send message to server success\n");
//接收消息
struct sockaddr_in src;
socklen_t srclen=sizeof(src);
int recvret=recvfrom(_sockfd,recvbuffer,sizeof(recvbuffer),0,(struct sockaddr*)&src,&srclen);
if(recvret<
0)
{
log(Warning,"receive from server fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
exit(recvfromserver);
}
log(Info,"receive from server success\n");
cout<<recvbuffer<<endl;
}
}
private:
string _serverip;
char sendbuffer[SIZE];
char recvbuffer[SIZE];
int _sockfd;
uint32_t _serverport;
bool isrunning;
};#include"UDPclient.hpp"
void usage()
{
cout<<
"./UDPclient destip destport"<<endl;
}
int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=3)
{
usage();
exit(0);
}
//第二个参数是ip地址
string ip=argv[1];
//第三个参数为port端口
uint16_t port=stoi(argv[2]);
UDPclient* client=new UDPclient(ip,port);
client->
run();
return 0;
}
我们还可以获得客户端和服务端各自主机的ip地址和端口号，但我们会发现这个ip地址并不是点分十进制
使用inet_ntoa就可以把ip地址转化为点分十进制，这个函数会把空间开辟出来，用来存放返回的字符串，返回值是字符串的起始地址，因为这是静态产生的，所以不需要手动释放，但这并不能多次调用，比如说我们有一个地址是全0，另外一个地址是全F，先调用全0的inet_ntoa，再调用全F的inet_ntoa后就会导致两次得到的字符串都是255.255.255.255，这个函数在重复调用的时候会出现覆盖问题，还有线程安全问题，所以这个函数是可以使用的，但最好是使用inet_ntop函数
UDP代码
TCP
服务端
listen
监听窗口
TCP是面向连接的，TCP服务器一般都是比较被动的，一直处于一种等待连接到来的状态，listen用于监听
第一个参数就是我们创建的套接字
accept
第一个参数也是我们创建的套接字，第二三个参数都是输出型参数，让我们知道我们当前获取的连接的来源是什么，返回值是一个套接字，我们上面socket出来的套接字是用来bind监听之类的工作，用于获得底层的连接，并不是后来提供服务的，一般只有一个，被称为监听套接字。accept返回的套接字才是后来用来提供服务的，可以有多个，可以用以下指令测试服务器是否可以连通
telnet IP port代码
#pragma once
#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include"log.hpp"
#include<cstring>
#include<cstdio>
#include<string>
#include<netinet/in.h>
#include<unistd.h>
#include<arpa/inet.h>
using namespace std;
const int backlog=5;
enum{
Sockerror=1,
Listenerror,
Accepterror,
Readerror
};
class TCPserver
{
public:
TCPserver(const string& ip,uint16_t port)
:_ip(ip)
,_port(port)
,isrunning(true)
{
//创建监听套接字
listensocketfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(listensocketfd<
0)
{
log(Fatal,"server socket fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
exit(Sockerror);
}
//绑定监听套接字
struct sockaddr_in server;
memset(&server,0,sizeof(server));
server.sin_family=AF_INET;
//server.sin_addr.s_addr=inet_addr(_ip.c_str());
inet_aton(_ip.c_str(),&
(server.sin_addr));
//server.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server.sin_port=htons(_port);
socklen_t len=sizeof(server);
bind(listensocketfd,(sockaddr*)&server,len);
//监听
int retlisten=listen(listensocketfd,backlog);
if(retlisten<
0)
{
log(Fatal,"listen fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
exit(Listenerror);
}
log(Info,"listen success\n");
}
void run()
{
while(isrunning)
{
//获取新链接
struct sockaddr_in client;
socklen_t len=sizeof(client);
int socketfd=accept(listensocketfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
if(socketfd<
0)
{
log(Warning,"accept fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
continue;
}
char buffer[1024];
inet_ntop(AF_INET,&
(client.sin_addr),buffer,sizeof(buffer));
uint32_t clientport=ntohs(client.sin_port);
log(Info,"accept a new link success,client ip is %s,client port is %d\n",buffer,clientport);
//close(socketfd);
serverfunc(socketfd);
}
}
void serverfunc(int socketfd)
{
char outbuffer[1024];
while(1)
{
memset(outbuffer,0,sizeof(outbuffer));
ssize_t ret=read(socketfd,outbuffer,sizeof(outbuffer));
if(ret<
0)
{
log(Fatal,"read fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
exit(Readerror);
}
else if(ret==0)
{
close(socketfd);
}
outbuffer[ret]='\0';
cout<<
"server say#"<<outbuffer<<endl;
string sendbuffer;
sendbuffer+=outbuffer;
write(socketfd,sendbuffer.c_str(),sendbuffer.size());
}
}
private:
int listensocketfd;
string _ip;
uint16_t _port;
bool isrunning;
};客户端
客户端无需手动bind端口号
connect
建立连接后就可以直接往自己的sockfd这个文件描述符对应的文件写数据，服务端就会收到，addr是目标服务器的sockaddr
代码
#pragma once
#include<sys/types.h>
#include"log.hpp"
#include<sys/socket.h>
#include<cstring>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<iostream>
using namespace std;
enum{
Socketerror,
Connecterror,
Writeerror
};
class TCPclient
{
public:
TCPclient(string ip,uint16_t port)
:_ip(ip)
,_port(port)
,isrunning(true)
{
//创建客户端套接字
_socket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(_socket<
0)
{
log(Fatal,"socket fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
exit(Socketerror);
}
//不需要显示bind
//连接到服务端
struct sockaddr_in dest;
memset(&dest,0,sizeof (dest));
dest.sin_port=htons(_port);
dest.sin_family=AF_INET;
inet_pton(AF_INET,_ip.c_str(),&
(dest.sin_addr));
log(Info,"socket success\n");
int n=connect(_socket,(struct sockaddr*)&dest,sizeof(dest));
if(n<
0)
{
log(Fatal,"connect fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
exit(Connecterror);
}
log(Info,"connect success\n");
string sendbuffer;
while(1)
{
cout<<
"please enter#";
getline(cin,sendbuffer);
write(_socket,sendbuffer.c_str(),sendbuffer.size());
char inbuffer[1024];
int ret=read(_socket,inbuffer,sizeof(inbuffer));
if(ret>
0)
{
inbuffer[ret]='\0';
cout<<
"client receive#"<<inbuffer<<endl;
}
}
}
void run()
{
while(isrunning)
{
//往文件描述符对应的文件写入数据
cout<<
"please enter# ";
string inbuffer="client send a message#";
string tmp;
cin>>tmp;
inbuffer+=tmp;
ssize_t ret=write(_socket,inbuffer.c_str(),inbuffer.size());
if(ret<
0)
{
log(Fatal,"write fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
exit(Writeerror);
}
inbuffer[ret]='\0';
}
}
~TCPclient()
{
close(_socket);
}
private:
int _socket;
string _ip;
uint16_t _port;
char buffer[1024];
bool isrunning;
};问题
上述的客户端和服务器只能服务一个客户端，因为在服务一个服务端的时候，服务器就被阻塞在serverfunc里了
多进程
我们可以创建子进程对这些进行处理
void run()
{
while(isrunning)
{
//获取新链接
struct sockaddr_in client;
socklen_t len=sizeof(client);
int socketfd=accept(listensocketfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
if(socketfd<
0)
{
log(Warning,"accept fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
continue;
}
char buffer[1024];
inet_ntop(AF_INET,&
(client.sin_addr),buffer,sizeof(buffer));
uint32_t clientport=ntohs(client.sin_port);
log(Info,"accept a new link success,client ip is %s,client port is %d\n",buffer,clientport);
pid_t id=fork();
if(id==0)
{
close(listensocketfd);
//子进程不关心
if(fork()>
0) exit(0);
//让父进程不阻塞的技巧，让孙子进程提供服务，最后回收子进程后，孙子进程变成孤儿进程
serverfunc(socketfd);
close(socketfd);
exit(0);
}
close(socketfd);
//父进程不关心，因为有两份，只关闭了父进程那一份
//阻塞等待，但由于子进程刚打开就关闭了，所以就不会阻塞
//也可以使用SIG_IGN
waitpid(id,nullptr,0);
//close(socketfd);
}
}
多线程
这样做的话，每来一个客户，就会产生一个线程，但客户是会退出的，所以只要不遇到峰值，就不会有太大问题，可以应用于小型应用
void run()
{
while(isrunning)
{
//获取新链接
struct sockaddr_in client;
socklen_t len=sizeof(client);
int socketfd=accept(listensocketfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
if(socketfd<
0)
{
log(Warning,"accept fail,errno is %d,error is %s\n",errno,strerror(errno));
continue;
}
char buffer[1024];
inet_ntop(AF_INET,&
(client.sin_addr),buffer,sizeof(buffer));
uint32_t clientport=ntohs(client.sin_port);
log(Info,"accept a new link success,client ip is %s,client port is %d\n",buffer,clientport);
//多线程版
pthread_t tid;
Pthread_data*data=new Pthread_data(_ip,_port,socketfd);
pthread_create(&tid,nullptr,pthreadfunc,data);
//pthread_join(tid,nullptr);
delete data;
}线程池
可以把客户的要求分发给线程池里的多个线程
#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
#include<queue>
#include<unistd.h>
using namespace std;
template<
class T
>
class pthread_pool
{
private:
static const int max_size=10;
public:
static void* do_task(void* args)//如果是普通函数的话会多一个隐藏参数this指针，不匹配pthread_create第三个参数
{
pthread_pool<T>
* arg=static_cast<pthread_pool<T>
*>
(args);
//上锁
pthread_mutex_lock(&
(arg->lock));
//判断队列里有没有数据
while(arg->tasks.size()==0)
{
//条件等待
pthread_cond_wait(&
(arg->cond),&
(arg->lock));
}
//处理
T task=arg->tasks.front();
arg->tasks.pop();
pthread_mutex_unlock(&
(arg->lock));
//task.count();
//task.consumerprint();
task.serverfunc();
}
void push(T task)
{
pthread_mutex_lock(&lock);
tasks.push(task);
//task.productorprint();
//通知
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&lock);
}
static pthread_pool<T>
* getinstance()
{
if(pdata==nullptr)
{
pthread_mutex_lock(&lock1);
if(pdata==nullptr)
{
pdata=new pthread_pool<T>
();
}
pthread_mutex_unlock(&lock1);
}
return pdata;
}
private:
pthread_pool()
:maxsize(max_size)
,pthreads(maxsize)
{
//创建锁和条件变量
pthread_mutex_init(&lock,nullptr);
pthread_cond_init(&cond,nullptr);
//创建线程池
for(int i=0;i<maxsize;i++)
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid,nullptr,do_task,this);
pthreads.push_back(tid);
}
}
pthread_pool<T>
&
operator=(const pthread_pool<T>
& it)=delete;
pthread_pool(const pthread_pool<T>
& it)=delete;
~pthread_pool()
{
pthread_mutex_destroy(&lock);
pthread_cond_destroy(&cond);
}
private:
int maxsize;
vector<pthread_t> pthreads;
queue<T> tasks;
pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t cond;
//创建单例模式
static pthread_pool<T>
* pdata;
static pthread_mutex_t lock1;
};
template<
class T
>
pthread_pool<T>
* pthread_pool<T>
::pdata=nullptr;
template<
class T
>
pthread_mutex_t pthread_pool<T>
::lock1=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
#include<ctime>
#include<cstdlib>
using namespace std;
enum{
normal=0,
divzero,
modzero,
operator_error
};
class Task
{
public:
Task(int socketfd)
:_socketfd(socketfd)
{
}
void serverfunc()
{
char outbuffer[1024];
while(1)
{
memset(outbuffer,0,sizeof(outbuffer));
ssize_t ret=read(_socketfd,outbuffer,sizeof(outbuffer));
if(ret>
0)
{
outbuffer[ret]='\0';
cout<<
"server say#"<<outbuffer<<endl;
string sendbuffer;
sendbuffer+=outbuffer;
write(_socketfd,sendbuffer.c_str(),sendbuffer.size());
}
}
}
private:
int _socketfd;
};pthread_pool<Task>
* pool=pthread_pool<Task>
::getinstance();
pool->
push(Task(socketfd));
守护进程
TCP有一个特点，因为客户端和服务端的联系是依靠管道，当我们把读端关闭了之后，写端对应的进程就会收到一个SIGPIPE信号，也就是服务器进程,就会导致服务器进程退出，所以为了服务器不崩溃，需要对读端也做处理
signal(SIGPIPE,SIG_IGN);TCPclient(string ip, uint16_t port)
: _ip(ip), _port(port), isrunning(true)
{
while (isrunning)
{
int cnt = 5;
bool isreconnect = false;
do
{
// 创建客户端套接字
_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (_socket <
0)
{
log(Fatal, "socket fail,errno is %d,error is %s\n", errno, strerror(errno));
exit(Socketerror);
}
// 不需要显示bind
// 连接到服务端
struct sockaddr_in dest;
memset(&dest, 0, sizeof(dest));
dest.sin_port = htons(_port);
dest.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, _ip.c_str(), &
(dest.sin_addr));
log(Info, "socket success\n");
int n = connect(_socket, (struct sockaddr *)&dest, sizeof(dest));
if (n <
0)
{
log(Fatal, "connect fail,errno is %d,error is %s,reconnect cnt is %d\n", errno, strerror(errno), cnt);
isreconnect = true;
cnt--;
sleep(1);
// exit(Connecterror);
}
else
{
isreconnect = false;
}
} while (cnt && isreconnect);
if (cnt == 0)
{
exit(Connecterror);
}
log(Info, "connect success\n");
run();
}
}
但在这一份代码里，如果客户端还在访问服务器的时候，突然服务器出现问题了，客户端会进行重新连接，但重新连接不了新开的服务器，因为服务器的socket这些资源已经不同了，所以我们需要设置一个接口让这些资源可复用，下面的setsockopt可以用于防止偶发性的服务器无法立即重启的问题
这样即可重启
int opt=1;
setsockopt(listensocketfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT,&opt,sizeof(opt));
之前有了解到的前台进程和后台进程，拥有键盘文件的就是前台进程，当我们想把一个后台进程提到前台的时候，可以使用
fg 后台任务号
如果我们想查看我们当前的后台任务，可以使用
jobs如果我们想把前台任务放回后台，可以使用ctrl+z把前台进程暂停，系统就自动把bash提到前台，暂停的进程放在后台，因为必须要有一个前台进程使用键盘资源
如果我们想让因为暂停而被放在后台的进程继续执行，可以使用
bg 后台任务号
补充：
PGID是进程组ID，任务是用来指派给进程组的，TTY是进程对应当前显示器的文件，SID一样的表示在同一个会话（session）中启动执行的
所以一般会话退出的时候，会话的进程组也会受到影响，有时候bash退出了，一些后台进程并不会退出，而是变成孤儿进程，被系统领养，在第二次会话登录的时候依然还在，但父进程变成1，SID也变为？，所以这种进程是会收到会话的影响的，所以windows其实是有一个注销的功能的，注销就是用于将所有进程关闭，避免很多进程留在后台而导致卡顿。
而守护进程是不会收到会话变化的影响的，也就是不会收到登录和注销的影响，因为守护进程自成进程组，也自成会话，守护进程的本质其实也是孤儿进程
如果执行成功，就返回新的SID，但这里有一个问题，如果我们需要创建一个新的会话，那么这个进程不能是进程组的leader，但如果进程只有一个，那么这个进程很容易就变成这个进程组的leader，我们要怎么让当前进程不是leader呢？我们可以在执行代码的时候调用fork，父进程可能是leader，我们把父进程exit后，子进程就一定不会是组长，申请SID也就不会失败
//忽略其他异常信号
signal(SIGPIPE,SIG_IGN);
signal(SIGSTOP,SIG_IGN);
//......
if(fork()>
0)
exit(0);
setsid();
//更改工作目录
//不一定需要一直在我们启动进程的目录
chdir(/*路径*/);
//方法1：关闭标准输入，标准输出，标准错误，但这个其实不太适用
//方法2：/dev/null垃圾桶
//如果直接关闭文件描述符，就会导致调用printf，cout这些函数全部出错，而我们又不可能在把一个进程变成守护进程的时候把所有的printf，cout等等删除
//所以我们可以把需要打印的消息往/dev/null里打印，这样调用就不会出错了
//用dup2把这三个重定向到/dev/null
int fd=open("/dev/null",O_RDWR);
dup2(fd,0),dup2(fd,1),dup2(fd,2);
close(fd);
//需要执行的代码这样做，即使xshell关闭，其他主机也可以通过公网ip访问当前进程
如果我们不想自己写守护进程的代码，可以使用daemon
第一个参数如果设置为0，表示我们当前守护进程工作在根目录下，否则就使用当前工作目录，第二个参数如果是0，就会把当前标准输入，标准输出，标准错误重定向到/dev/null，如果不为0就不会重定向
简单原理
tcp是全双工的，因为tcp每一个socket都有一个接收缓冲区和发送缓冲区，不会造成混乱，客户端和服务端在发送消息的同时，也在接收消息。
tcp会通过三次握手来进行链接的建立，三次握手实际上是两个操作系统之间三次报文的传送，当我们调用connect后，只需要等待三次握手成功后connect返回，accept需要建立链接成功后才能返回，否则将阻塞，通过四次挥手来完成链接的释放，调用一个close将触发两次挥手。
每一个链接的建立都需要用结构体管理起来，所以就把对链接的管理转化为对链表的增删查改
浙公网安备 33010602011771号