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【Linux网络 (二)】套接字编程

news 来源：原创 2025/7/30 0:35:13

Linux: 网络

一、前言
二、端口号 (port)
- 1）port、套接字概念
- 2）端口号 vs 进程id
- 3）端口号和进程关系
三、认识TCP/Udp协议
- 1）连接性解释
- 2）可靠性解释
- 3）面向数据报/字节流解释
四、网络字节序
五、struct sockaddr类型介绍
六、TCP 通信API
- 1）socket()解释
- 2) bind()解释
- - 2.1 setsockopt()函数
  - 2.2 服务端`struct sockaddr`结构体填充样式
- 3）listen()解释
- 4)accept()解释
- 5）connect()解释
- 6）tcp读写
- 7）Udp通信API

一、前言

本篇文章会介绍端口号、网络字节序等网络编程中的基本概念，以及udp/tcp套接字编程API。

二、端口号 (port)

1）port、套接字概念

网络通信的本质不同主机上的两个进程进行间通信，并且两进程会看到同一块资源——网络。并且我们用ip是用于表示互联网中不同主机的地址；端口号(port)这是用于标识一台主机上的不同进程。所以ip + port既可以用于标识互联网中的唯一进程，我们也将ip + port称为套接字！！

2）端口号 vs 进程id

端口号用于标识同一台主机上进程的唯一性，但进程id作用同样如此。那为啥在网络中不复用进程id知识，而是引入端口号呢？

其一是为了让网络模块和系统模块进行接藕，减低两者间的耦合度！
其二是并不是所有的进程都有通信的需求。而port专用于网络通信！

3）端口号和进程关系

一个进程可以绑定多个端口号，但一个端口号不能被多个进程绑定！

三、认识TCP/Udp协议

我们先对TCP和UDP有一个大概的认识,在后面再详细讲解它的协议内容。

TCP协议：

传输层协议
有连接
可靠传输
面向字节流

UDP协议：

传输层协议
没有连接
不可靠传输
面向数据报

1）连接性解释

tcp在通信前需要先建立连接，也就是大名鼎鼎的3次握手，2次挥手；而UDP通信什么都不用提前做。我们可以将tcp通信比喻成打电话时，我们在通信前需要先获得对方同意，对方同意接你电话；将tcp想象为寄快递，我只需要知道对方地址即可！

2）可靠性解释

tcp是可靠，Udp不可靠。那生活中我们采用tcp就可以了，为啥需要Udp？

原因在于tcp的可靠性是有代价的（数据丢包，超时重传、数据粘包等问题需要处理），而udp认为只要将即数据从传输层发给网络层就认为数据发生成功了，所以tcp通信比udp慢。并且可靠、不可靠描述的是两种协议的特点，并没有谁好谁坏。在当前网络环境中，数据丢包的概率极小。
针对不同的场景，可以选择不同的通信方式。如果对数据可靠性要求高的场景，我们可以采用tcp，比如支付过程。反之采用udp协议，在满足需求的前提下，大大提高通信速度。比如直播，偶尔出现数据丢包，对我们影响不大就可以采用udp协议！

3）面向数据报/字节流解释

面向数据报是指报文之间是有边界的，应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发送，既不拆分也不合并。读端每次只读取一个完整报文！
面向字节流是指数据向流水一样，是没有明显边界的。对于读端，读端并不关系写端写了多少次，读到的数据是否完整，而是尽可能将数据全部读取上来交给上层！

四、网络字节序

内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分。这也意味着数据从A主机经网络发给B主机，B主机收到的数据可能是反的。所以网络规定，所有发送到网络中的数据必须是大端！！先发出的数据是低地址,后发出的数据是高地址。

但人为大小端数据转换非常复杂，所以系统也提高了一系列转换接口：
在这里插入图片描述

五、struct sockaddr类型介绍

网络通信时，socket有很多类型，主要有如下3种：

域间套接字Unix socket：主要用于本主机内部通信。域间套接字通过套接字文件来进行通信，进程可以通过打开这个文件来进行读写操作，从而实现通信。
网络socket：通过ip + port来进行网络通信。
原始socket：原始套接字绕过传输层，直接通过网络层进行通信。主要用于编写一些网络工具。

网络中套接字种类很多，理论而言，我们要为每一种套接字设计对应的一套接口。但这无疑加重程序员的负担，为了统一所有套接字API，网络通用地址类型struct sockaddr类型诞生！！
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六、TCP 通信API

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1）socket()解释

socket()打开一个网络通讯端口,如果成功的话,就像open()一样返回一个文件描述符。应用程序可以像读写文件一样用read/write在网络上收发数据。如果socket()调用出错则返回-1。

domain(协议家族)：即socket()函数采用的网络协议种类，在网络通信中一般选择AF_INET
type(套接字类型)：对于tcp而言，面向字节流，选择SOCK_STREAM
protocol(协议)：通常前面两个参数就明确的通信协议种类，所以一般填0

2) bind()解释

bind 函数用于将一个套接字（socket）与特定的IP地址和端口号关联起来。（将参数sockfd和myaddr绑定在一起, 使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听myaddr所描述的地址和端口号）

对于服务端ip和port是固定的，但我们一般只绑定port，而ip选择任意地址。原因在于一台机器上可能存在多张网卡，即一台主机从多个ip（网卡）读取数据都应该交给上层指定端口(port) 但对于客户端而言，虽然也需要绑定ip+port，但不需要显示绑定。原因在于客户端程序很多，如果直接由用户显示绑定，可能会导致某些时刻端口号冲突，导致一些程序无法正常启动！所以客户端在首次发送信息时，OS会自动绑定。
bind调用时，如果短时间内重复调用会失败，这和tcp断开连接时会进入TIME_WAIT状态有关。我们只需要通过地址复用即可，具体做法如下：
int opt = 1; setsockopt(_listensockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR| SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt)); // 地址复用

2.1 setsockopt()函数

int setsockopt(int sockfd, int level, int option_name, const void *option_value, socklen_t option_len);

socockfd：要设置选项的套接字描述符。
level：指定了选项所在的协议层级。套接字层选SOL_SOCKET。
option_name：设置的选项的名称。主要有两选项：SO_REUSEADDR允许地址和端口的复用；SO_REUSEPORT与 SO_REUSEADDR 类似，但提供了更细粒度的控制。
option_value需要设置的选项值。
option_len：option_value指针指向的变量长度。

2.2 服务端`struct sockaddr`结构体填充样式

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3）listen()解释

tcp在通信前需要先建立连接，但服务端如何得知客户端发起了请求开始建立连接呢？所以我们需要通过listen()函数将套接字设置为监听状态！！

listen()声明sockfd处于监听状态, 并且最多允许有backlog个客户端处于连接等待状态, 如果接收到更多的连接请求就忽略。listen()成功返回0,失败返回-1;

4)accept()解释

三次握手完成后, 服务器调用accept()接受连接，并返回一个新的文件描述符！如果服务器调用accept()时还没有客户端的连接请求,就阻塞等待直到有客户端连接上来。 addr是一个传出参数,accept()返回时传出客户端的地址和端口号;如果给addr 参数传NULL,表示不关心客户端的地址。

如何理解返回一个新的文件描述符：

通过listen()将套接字设置为监听状态，我们可以帮监听套接字理解为饭店外进行拉客的工作人员！他的工作只是将客人拉到字节饭店即可，并不真正提高服务；而是重新叫一名服务员进行招待后，出去重新拉客。
所以监听套接字就好比拉客的工作人员，他只是用于监听等待客户端发起连接。而返回的新的文件描述符才是真正和客户端进行交互的。后续可客户端和服务端进行网络通信，都是通过新的文件描述符来进行！！

5）connect()解释

客户端需要调用connect()连接服务器;connect和bind的参数形式一致, 区别在于bind的参数是自己的地址, 而connect的参数是对方的地址;！！
connect()成功返回0,出错返回-1。

6）tcp读写

tcp客户端和服务端通信和文件一样，通过read、write进行！

7）Udp通信API

UDp只需要将建socket文件文件描述符（本质是创建文件细节，将网卡文件打开），然后绑定ip+port即可通信。

UDP通信消息收发通过recvfrom、sendto完成！
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