Question

0x11-套接字编程-1

套接字编程

• 两种协议 TCP 和 UDP
  • 前者可以理解为有保证的连接，后者是追求快速的连接
  • 当然最后一点有些 太过绝对 ，但是现在不需熬考虑太多，因为初入套接字编程，一切从简
  • 稍微试想便能够大致理解， TCP 追求的是可靠的传输数据， UDP 追求的则是快速的传输数据
  • 前者有繁琐的连接过程，后者则是根本不建立可靠连接(不是绝对)，只是将数据发送而不考虑是否到达。

以下例子以 *nix 平台的便准为例，因为 Windows平台需要考虑额外的加载问题，稍作添加就能在 Windows 平台上运行

UDP

• UDP

  • 这是一个十分简洁的连接方式，假设有两台主机进行通信，一台只发送，一台只接收。

  • 接收端：

        int sock; /* 套接字 */
        socklen_t addr_len; /* 发送端的地址长度，用于 recvfrom */
        char mess[15];
        char get_mess[GET_MAX]; /* 后续版本使用 */
        struct sockaddr_in recv_host, send_host;
    
        /* 创建套接字 */
        sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    
        /* 把IP 和 端口号信息绑定在套接字上 */
        memset(&recv_host, 0, sizeof(recv_host));
        recv_host.sin_family = AF_INET;
        recv_host.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);/* 接收任意的IP */
        recv_host.sin_port = htons(6000); /* 使用6000 端口号 */
        bind(sock, (struct sockaddr *)&recv_host, sizeof(recv_host));
    
        /* 进入接收信息的状态 */
        recvfrom(sock, mess, 15, 0, (struct sockaddr *)&send_host, &addr_len);
    
        /* 接收完成，关闭套接字 */
        close(sock);
    

    上述代码省略了许多必要的 错误检查 ，在实际编写时要添加

  • 代码解释：
    1. PF_INET 代表协议的类型，此处代表 IPv4 网络协议族， 同样 PF_INET6 代表 IPv6 网络协议族，这个范围在后方单独记录，不与IPv4混在一起(并不意味着更复杂，实际上更简便)。
    2. AF_INET 代表地址的类型，此处代表 IPv4 网络协议使用的地址族， 同样有 AF_INET6 (在操作系统实现中 PF_INET 和 AF_INET 的值一样，但是还是要写宏更好，而不应该直接用数字或者，混淆使用)
    3. htonl 和 htons 两个函数的使用涉及到 大端小端问题， 这里不叙述，需要记住的是在网络编程时一定要使用这种函数将必要信息转为 大端表示法 。
    4. (struct sockaddr *) 这个强制转换是为了参数的必须，但不会出错，因为 sizeof(struct sockaddr_in) == sizeof(struct sockaddr) 具体可以查询相关信息，之所以这么做是为了方便编写套接字程序的程序员。

  • 发送端：

        int sock;
        const char* mess = "Hello Server!";
        char get_mess[GET_MAX]; /* 后续版本使用 */
        struct sockaddr_in recv_host;
        socklen_t addr_len;
        /* 创建套接字 */
        sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        /* 绑定 */
        memset(&recv_host, 0, sizeof(recv_host));
        recv_host.sin_family = AF_INET;
        recv_host.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
        recv_host.sin_port = htons(6000);
        /* 发送信息 */
        /* 在此处，发送端的IP地址和端口号等各类信息，随着这个函数的调用，自动绑定在了套接字上 */
        sendto(sock, mess, strlen(mess), 0, (struct sockaddr *)&recv_host, sizeof(recv_host));
        /* 完成，关闭 */
        close(sock);
    

    上述代码是发送端。

  • 代码解释：
    1. inet_addr 函数是用于将字符串格式的 IP地址 转换为 大端表示法的 地址类型，即 s_addr 的类型 in_addr_t
    2. 与之相反，同样也有功能相反的函数 inet_ntoa 用于将 in_addr_t 类型转为字符串，但是使用时一定要记住及时拷贝返回值

       char addr[16];
       recv_host.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
       strcpy(addr, inet_ntoa(recv_host.sin_addr.s_addr));
       

  • 从上述代码看出， UDP 协议的使用十分简洁，几乎就是 创建套接字->准备数据->装备套接字->发送/接收->结束
  • 其中，都没有连接的操作，但是实际上这是为了方便 UDP 随时和 不同的主机 进行通信所默认的设置，如果需要和相同主机一直通信呢？
  • 此中的原由暂时不需要知道，记录方法，即长时间使用 UDP 和同一主机通信时，可以使用 connect 函数来进行优化自身。此时 假设两台主机的实际功能一致，既接收也发送

  • 发送端：

        /* 前方高度一致，将 bind函数替换为 */
        connect(sock, (struct sockaddr *)&recv_host, sizeof(recv_host); // 将对方的 IP地址和 端口号信息 注册进UDP的套接字中)
        while(1) /* 循环的发送和接收信息 */
        {
          size_t read_len = 0;
          /* 原先使用的 sendto 函数，先择改为使用 write 函数， Windows平台为 send 函数 */
          write(sock, mess, strlen(mess));            /* send(sock, mess, strlen(mess), 0) FOR Windows Platform */
          read_len = read(sock, get_mess, GET_MAX-1); /* recv(sock, mess, strlen(mess)-1, 0) FOR Windows Platform */
          get_mess[read_len-1] = '\0';
          printf("In Client like Host Recvive From Other Host : %s\n", get_mess);
        }
        /* 后方高度一致 */
    

  • 接收端：

        /* 前方一致， 添加额外的 struct sockaddr_in send_host; 并添加循环，构造收发的现象*/
            while(1)
            {
              size_t read_len = 0;
              char sent_mess[15] = "Hello Sender!"; /* 用于发送的信息     */
              sendto(sock, mess, strlen(sent_mess), 0, (struct sockaddr *)&recv_host, sizeof(recv_host));
              read_len = recvfrom(sock, mess, 15, 0, (struct sockaddr *)&send_host, &addr_len)
              mess[read_len-1] = '\0';
              printf("In Sever like Host Recvive From other Host : %s\n", mess);
            }
            /* 后方高度一致 */
            /*
            * 之所以只在接收端使用 connect 的原因，便在于我们模拟的是 客户端-服务器 的模型，而服务器的各项信息是不会随意变更的
            * 但是 客户端就不同了，可能由于 ISP(Internet Server Provider) 的原因，你的IP地址不可能总是固定的，所以只能
            * 保证 在客户端 部分注册了 服务器 的各类信息，而不能在 服务器端 注册 客户端 的信息。
            * 当然也有例外，例如你就想这个软件作为私密软件，仅供两个人使用， 且你有固定的 IP地址，那么你可以两边都connect，但是
            * 一定要注意，只要有一点信息变动，这个软件就可能无法正常的收发信息了。
            */
    

• 代码解释
  • 故而实际上，虽然前方的表格显示，UDP 似乎并没有 connect 的使用必要，但是实际上还是有用到的地方。
  • 就 *nix 的 API 来说，sendto 和 write 的区别十分明显，便是一个需要在参数中提供目标主机的各类信息，而后者则不需要提供。同样的道理recvfrom和read也是如此。
  • 这个代码只是做演示而已，所以将代码置于无限循环当中，现实中可以自行定义出口条件。

以上是 UDP 的一些简单说明，入门足矣，并未详细叙述某些 函数 的具体用法，而是用实际例子来体现。 在 记录 TCP 之前，还是需要讲一个函数 shutdown

• shutdown 与 close(closesocket)

  • 首先要知道，网络通信一般而言是双方的共同进行的，换而言之就是双向的，一个方向只用来发送消息，一个方向只用来读取消息。
  • 这就导致了，在结束套接字通信的时候，需要关闭两个方向的通道(暂时叫它们通道)，那同时关闭不行吗？可以啊
    • close(sock); // closesocket(sock); FOR Windows PlatForm 就是这么干的，同时断开两个方向的连接。
    • 简单的通信程序或者单向通信程序这么做的确无甚大碍，但是万一在结束通信的时候需要接收最后一个信息那该怎么办？
      • 假设通信结束，客户端向服务器发送 "Thank you"
      • 服务器需要接收这个信息，之后才能关闭通信
      • 问题就在这之间，服务器并不知道客户端会在通信结束后的什么时刻传来信息
      • 所以我们选择在通信完成后先关闭 服务器的 发送通道(写流)，等待客户端发来消息后，关闭剩下的 接收通道(读流)

  • 发送端：

        /* 假设有一个 TCP 的连接，此为客户端 */
        write(sock, "Thank you", 10);
        close(sock); // 写完直接关闭通信
    

  • 接收端：

        /* 此为服务器 */
        /* 首先关闭写流 */
        shutdown(sock_c, SHUT_WR);
        read(sock_c, get_mess, GET_MAX);
        printf("Message : %s\n", get_mess);
        close(sock_c);
        close(sock_s); // 关闭两个套接字是因为 TCP 服务器端的需要，后续会记录
    

  • 代码解释
    • shutdown 函数的作用就是 可选择的关闭那个方向的输出
      • int shutdown(int sock, int howto);
      • sock 代表要操作的套接字
      • howto有几个选择
        • *nix : SHUT_RD SHUT_WR SHUT_RDWR
        • Windows : SD_RECEIVE SD_SEND SD_BOTH

停下来

1. 程序员应该越来越来，做的事情应该越来越少，但是能达到的成就应该越来越多
2. 在 IPv6 出现的今天，网络编程已经开始向简洁和强大靠近，即便是身为底层语言的 C语言
3. 实际上由于 C语言 并没有自己的网络库， 故为了能进行网络编程，不得不依赖于系统函数，这就是所谓的系统编程， 你已经是一个系统程序员了。
4. 而 系统函数 随着时代的变化，正在不断完善，增加(几乎没有废除的先例，所以不用担心之前的程序无法运行)。
5. 相应的，由于以前的网络编程只适合于 IPv4 的地址，自从出现了 IPv6, 我们需要一套全新的方式，正好他来了。