嵌入式养成计划-29-网络编程----TCP与UDP的基础模型
作者：小教学发布时间：2023-09-27分类：程序开发学习浏览：64
导读：Linux下，基于TCP与UDP协议，不同进程下单线程通信服务器Linux下，基于TCP与UDP协议，不同进程下单线程通信服务器六十五、TCP与UDP的基础模型1.s...
Linux下，基于TCP与UDP协议，不同进程下单线程通信服务器
Linux下，基于TCP与UDP协议，不同进程下单线程通信服务器
六十五、TCP与UDP的基础模型
1. socket
1.1 套接字概念
- 最早的套接字和共享内存，消息队列，管道一样，只能实现一个主机内部的进程间通信。
- 后期加入了TCP/IP协议，使的套接字能够支持不同主机之间的进程间通信。
- socket函数，可以在内核空间中创建两块缓冲区，供于发送数据，接收数据。
1.2 socket 函数
功能：
在内核空间中创建两个缓冲区（发送缓冲区，接收缓冲区），返回该缓冲区的文件描述符到用户空间中;
原型：
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
参数：
int domain：地址族，协议族。
Name Purpose Man page
AF_UNIX, AF_LOCAL Local communication unix(7)
AF_INET IPv4 Internet protocols ip(7)
AF_INET6 IPv6 Internet protocols ipv6(7)
int type：
SOCK_STREAM：字节流式套接字，流式套接字，默认使用TCP协议;
SOCK_DGRAM: 数据报式套接字，报式套接字，默认使用UDP协议;
SOCK_RAW: 原始套接字，协议需要在第三个参数手动指定.
int protocol：默认协议，填0；
IPPROTO_TCP IPPROTO_UDP IPPROTO_IP
返回值：
成功，返回一个新的文件描述符;
失败，返回-1，更新errno;
2. TCP编程
2.1 TCP流程图
2.2 TCP 中的函数
2.2.1 socket
功能：
在内核空间中创建两个缓冲区（发送缓冲区，接收缓冲区），返回该缓冲区的文件描述符到用户空间中;
原型：
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
参数：
int domain：地址族，协议族。
Name Purpose Man page
AF_UNIX, AF_LOCAL Local communication unix(7)
AF_INET IPv4 Internet protocols ip(7)
AF_INET6 IPv6 Internet protocols ipv6(7)
int type：
SOCK_STREAM：字节流式套接字，流式套接字，默认使用TCP协议;
SOCK_DGRAM: 数据报式套接字，报式套接字，默认使用UDP协议;
SOCK_RAW: 原始套接字，协议需要在第三个参数手动指定.
int protocol：默认协议，填0；
IPPROTO_TCP IPPROTO_UDP IPPROTO_IP
返回值：
成功，返回一个新的文件描述符;
失败，返回-1，更新errno;
2.2.2 bind
功能：
绑定地址信息到指定套接字上;
原型：
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);
参数：
int sockfd：指定要绑定到哪个套接字上，填对应的文件描述符;
struct sockaddr *addr：通用地址信息结构体，真实的地址信息结构体根据地址族指定。
手动填充上地址信息（例如：IP和端口），给bind函数绑定使用;
AF_INET: man 7 IP
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */ 必须填AF_INET
in_port_t sin_port; /* port in network byte order */ 端口号的网络字节序（1024~49151）
struct in_addr sin_addr; /* internet address */ IP地址的网络字节序，（本机IP:ifconfig查看）
};
/* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t s_addr; /* address in network byte order */
};
AF_INET6: man 7 ipv6
socklen_t addrlen：真实的地址信息结构体的大小，sizeof(struct sockaddr_in);
返回值：
成功，返回0;
失败，返回-1，更新errno;
报错解释：bind: Address already in use ---->原因：代码异常退出后，端口号会在30s~3min不等的时间释放。
2.2.3 listen
功能：
将套接字设置为被动监听状态；
让内核去维护两个队列：未完成连接的队列，已完成连接的队列
原型：
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
参数：
int sockfd：指定要转换成被动监听状态的文件描述符;
int backlog：指定未完成连接队列的容量，不要填0和1即可，一般填128;
返回值：
成功，返回0;
失败，返回-1，更新errno;
2.2.4 accept（阻塞函数）
功能：
阻塞函数，阻塞等待客户端连接成功，从已完成连接的队列中获取一个客户端信息，生成一个新的文件描述符。
该文件描述符才是与客户端通信的文件描述符;
原型：
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
参数：
int sockfd：被转换成被动监听状态的文件描述符;
struct sockaddr *addr：通用地址信息结构体，真实的地址信息结构体根据地址族指定。
存储获取到的客户端的地址信息；若不想获取，则填NULL;
AF_INET: man 7 IP
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */ 必须填AF_INET
in_port_t sin_port; /* port in network byte order */ 端口号的网络字节序（1024~49151）
struct in_addr sin_addr; /* internet address */ IP地址的网络字节序，（本机IP:ifconfig查看）
};
/* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t s_addr; /* address in network byte order */
};
socklen_t *addrlen：真实的地址信息结构体的大小，注意是指针类型，若第二个参数填NULL，则该参数也填NULL;
返回值：
成功，返回新的通信套接字文件描述符; 该文件描述符才是与客户端通信的文件描述符;
失败，返回-1，更新errno;
2.2.5 recv
功能：
接收数据;
原型：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
参数：
int sockfd：指定从哪个套接字维护的缓冲区中读取数据;
void *buf：存储接收到的数据，void*:可以接收任意类型数据;
size_t len：指定要接收多少个字节的数据;
int flags：
0：阻塞方式，当缓冲区中没有数据的时候，该函数阻塞; 若flags==0, 则recv函数等价于read函数;
MSG_DONTWAIT：非阻塞方式，当当缓冲区中没有数据的时候，该函数不阻塞;且函数运行失败;
返回值：
>0, 成功读取到的字节数;
=0，在流失套接字中，若对端关闭，则返回0;
=-1, 函数运行失败，更新errno;
recv(sockfd, buf, len, flags);
等价于 recvfrom(sockfd, buf, len, flags, NULL, NULL);
recv函数能否替换成其他函数？可以，当recv函数最后一个参数填0，可以替换成read函数，当recvfrom后面两个参数填NULL的时候，等价于recv函数，所以可以替换成recvfrom
2.2.6 send
功能：
发送数据;
原型：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
参数：
int sockfd：指定向哪个套接字维护的缓冲区中写入数据;
void *buf：指定要发送的数据的首地址，void*:可以发送任意类型数据;
size_t len：指定要发送多少个字节的数据;
int flags：
0：阻塞方式，当缓冲区中满的时候，该函数阻塞; 若flags==0, 则send函数等价于write函数;
MSG_DONTWAIT：非阻塞方式，当缓冲区中满的时候，该函数不阻塞;且函数运行失败;
返回值：
>0, 成功发送的字节数;
=-1,函数运行失败，更新errno;
send(sockfd, buf, len, flags);
等价于 sendto(sockfd, buf, len, flags, NULL, 0);
send函数能否替换成其他函数？可以，当send函数最后一个参数填0，可以替换成write函数，当sendto后面两个参数填NULL, 0 的时候，等价于send函数，所以可以替换成sendto
2.2.7 connect
功能：
连接服务器；
原型：
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);
参数：
int sockfd：指定要通过哪个文件描述符连接服务器;
struct sockaddr *addr：通用地址信息结构体，真实的地址信息结构体根据地址族指定。
手动填充上服务器的地址信息（例如：IP和端口），给connect函数绑定使用;
想要连接哪个服务器就填哪个服务器的地址信息
AF_INET: man 7 IP
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */ 必须填AF_INET
in_port_t sin_port; /* port in network byte order */ 端口号的网络字节序（1024~49151）
struct in_addr sin_addr; /* internet address */ IP地址的网络字节序，（本机IP:ifconfig查看）
};
/* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t s_addr; /* address in network byte order */
};
socklen_t addrlen：真实的地址信息结构体的大小，sizeof(struct sockaddr_in);
返回值：
成功，返回0;
失败，返回-1，更新errno;
3. UDP编程
3.1 UDP流程图
3.2 UDP搭建
3.2.1 socket
功能：
在内核空间中创建两个缓冲区（发送缓冲区，接收缓冲区），返回该缓冲区的文件描述符到用户空间中;
原型：
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
参数：
int domain：地址族，协议族。
Name Purpose Man page
AF_UNIX, AF_LOCAL Local communication unix(7)
AF_INET IPv4 Internet protocols ip(7)
AF_INET6 IPv6 Internet protocols ipv6(7)
int type：
SOCK_STREAM：字节流式套接字，流式套接字，默认使用TCP协议;
SOCK_DGRAM: 数据报式套接字，报式套接字，默认使用UDP协议;
SOCK_RAW: 原始套接字，协议需要在第三个参数手动指定.
int protocol：默认协议，填0；
IPPROTO_TCP IPPROTO_UDP IPPROTO_IP
返回值：
成功，返回一个新的文件描述符;
失败，返回-1，更新errno;
3.2.2 bind
功能：
绑定地址信息到指定套接字上;
原型：
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);
参数：
int sockfd：指定要绑定到哪个套接字上，填对应的文件描述符;
struct sockaddr *addr：通用地址信息结构体，真实的地址信息结构体根据地址族指定。
手动填充上地址信息（例如：IP和端口），给bind函数绑定使用;
AF_INET: man 7 IP
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */ 必须填AF_INET
in_port_t sin_port; /* port in network byte order */ 端口号的网络字节序（1024~49151）
struct in_addr sin_addr; /* internet address */ IP地址的网络字节序，（本机IP:ifconfig查看）
};
/* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t s_addr; /* address in network byte order */
};
AF_INET6: man 7 ipv6
socklen_t addrlen：真实的地址信息结构体的大小，sizeof(struct sockaddr_in);
返回值：
成功，返回0;
失败，返回-1，更新errno;
3.2.3 recvfrom
功能：
接收数据的同时可以获取到该数据包从哪里来，即可以知道发送方的地址信息;
原型：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
参数：
int sockfd：指定从哪个套接字维护的缓冲区中读取数据;
void *buf：存储接收到的数据，void*:可以接收任意类型数据;
size_t len：指定要接收多少个字节的数据;
int flags：
0：阻塞方式，当缓冲区中没有数据的时候，该函数阻塞; 若flags==0, 则recv函数等价于read函数;
MSG_DONTWAIT：非阻塞方式，当当缓冲区中没有数据的时候，该函数不阻塞;且函数运行失败;
struct sockaddr *src_addr：通用地址信息结构体，真实的地址信息结构体根据地址族指定。
用于存储发送方的地址信息的，即用于存储这个包是从谁那里发送过来的。若不想接收则填NULL;
AF_INET: man 7 IP
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */ 必须填AF_INET
in_port_t sin_port; /* port in network byte order */ 端口号的网络字节序（1024~49151）
struct in_addr sin_addr; /* internet address */ IP地址的网络字节序，（本机IP:ifconfig查看）
};
/* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t s_addr; /* address in network byte order */
};
socklen_t *addrlen：真实的地址信息结构体的大小，注意是指针类型，若第二个参数填NULL，则该参数也填NULL;
返回值：
>0, 成功读取到的字节数;
=0，但是只有在流失套接字中，若对端关闭，则返回0;
=-1, 函数运行失败，更新errno;
recv(sockfd, buf, len, flags);等价于 recvfrom(sockfd, buf, len, flags, NULL, NULL);
3.2.4 sendto
功能：
发送数据给指定该数据包应该发给谁，即指定接收方的地址，必须指定清楚这个包该发给谁
原型：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
参数：
int sockfd：指定向哪个套接字维护的缓冲区中写入数据;
void *buf：指定要发送的数据的首地址，void*:可以发送任意类型数据;
size_t len：指定要发送多少个字节的数据;
int flags：
0：阻塞方式，当缓冲区中满的时候，该函数阻塞; 若flags==0, 则send函数等价于write函数;
MSG_DONTWAIT：非阻塞方式，当缓冲区中满的时候，该函数不阻塞;且函数运行失败;
struct sockaddr *src_addr：通用地址信息结构体，真实的地址信息结构体根据地址族指定。
指定该数据包应该发给谁，即指定接收方的地址信息，想发给谁填谁的地址信息;
AF_INET: man 7 IP
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */ 必须填AF_INET
in_port_t sin_port; /* port in network byte order */ 端口号的网络字节序（1024~49151）
struct in_addr sin_addr; /* internet address */ IP地址的网络字节序，（本机IP:ifconfig查看）
};
/* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t s_addr; /* address in network byte order */
};
socklen_t addrlen：真实的地址信息结构体的大小;
返回值：
>0, 成功发送的字节数;
=-1,函数运行失败，更新errno;
send(sockfd, buf, len, flags);等价于 sendto(sockfd, buf, len, flags, NULL, 0);
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