【網絡編程套接字】IP地址 & 端口 & TCP 及 UDP 協議實現

IP地址

作用：在網絡當中唯一標識一臺主機

本質：IPV4：uint32_t 類型的值，最大的範圍是 42 億多，採用點分十進制來表示 IP 地址（例：172.16.99.129），每一個字節能表示的最大數據爲 255

目的 IP 地址：標識數據去向
源 IP 地址：標識數據來向

IPV6：16個字節的整數，128 位的無符號整型數據，IPV6 天然不向下兼容 IPV4

port

作用：在一臺主機當中標識一個進程

本質：uint16_t 端口的範圍 0 - 65535，其中 0 - 1023 是知名端口，例：mysql – 3306，oracle – 1521

使用：網絡當中的程序，通信的時候，都是需要使用端口進行通信
客戶端：主動發起請求的一方，被稱爲客戶端
服務端：被動的在固定位置上接受請求的一方是服務器

問題：爲什麼不使用 PID 作爲請求與在主機當中查找進程的標準？
答案：由於進程的關閉和重啓會導致每次的 PID 不一樣，對用戶訪問造成了困擾

在網絡程序當中存在兩個端口
源端口：src_port，目的端口：dest_port

在網絡程序當中的一條數據當中存在一個 5 元組
src_ip，src_port，dest_ip，dest_port，protocol（協議）

字節序

大端字節序：低地址存高位
小端字節序：低地址存低位
網絡字節序：CPU 對內存當中的數據進行存取的順序，網絡的通信標準是大端字節序
主機字節序：當前計算機的字節序，一般情況下，x86_64 機器都是小端機器
大小端機器需要進行通信的時候，都是需要遵循網絡字節序（大端字節序），小端字節序在網絡通信時則需要進行大小端轉換

uint32_t htonl(uint32_t hostlong); 將32位的主機字節序的數據轉換成爲網絡字節序
h：host 主機
to：轉換
n：network
l：32位的整型數據
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); 將32位的網絡字節序的數據轉換成爲主機字節序
uint16_t htonl(uint16_t hostlong); 將32位的主機字節序的數據轉換成爲網絡字節序
uint16_t ntohl(uint16_t netlong); 將32位的網絡字節序的數據轉換成爲主機字節序

傳輸層的兩個協議

TCP(Transmission Control Protocol）傳輸控制協議
面向連接、可靠傳輸、字節流服務
UDP(User Datagram Protocol） 用戶數據報協議
無連接、不可靠、面向數據報

UDP 套接字編程的流程

理解數據的緩衝區

UDP 編程的接口

1. 創建套接字

int socket(int domain, int type, int protocol)
    domain：地址域，傳入的是協議的版本
        網絡層：AF_INEF --> ipv4 版本的 ip 協議
                      AF_INEF6 --> ipv6 版本的 ip 協議
    type：套接字的類型
        傳輸層：tcp / udp
            SOCK_STREAM：流式套接字 --> 默認對應的協議：tcp，不支持 udp
            SOCK_DGRAM：數據報套接字 --> 默認對應的協議：udp，不支持 tcp
    protocol：協議類型
        0：採用套接字對應的默認類型
        IPPROTO_TCP --> 6
        IPPROTO_UDP --> 17
        返回值：返回套接字的操作句柄，其實就是一個文件描述符，一般稱之爲套接字描述符

2. 綁定地址信息（客戶端不推薦綁定地址信息）

int bind(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen)
    sockfd：套接字操作句柄，socket 函數的返回值
    addr：
        struct sockaddr
        {
            sa_family_t sa_family;//填充地址域的，當前協議版本，佔兩個字節
            char sa_data[14];//填充地址信息，14個字節
            //ipv4：port(2) + ip(4) + 填充信息(8)
        }

ipv4 結構體
bind 函數可以兼容不同協議的地址信息，在使用 bind 函數的時候，進行強轉就可以，sa_family_t 表示哪一個協議填充了地址類型，方便內核去解析後面的 14 個字節

問題：爲什麼要傳入地址信息的長度？
答案：爲了兼容地址信息的結構體長度已經超過了 sockaddr 定義的 16 個字節，例如：ipv6 版本的 ip 協議，單單是 ip 地址的長度就佔 16 字節，把當前地址信息的長度傳遞給內核，內核在解析傳入的地址信息的時候，就會按照傳入的長度進行解析

3. 發送數據

ssize_t sendto(int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen);
    sockfd：套接字的操作句柄
    buf：要發送什麼數據
    len：數據的長度
    flags：0：阻塞發送
    dest_addr：目標主機的地址信息（目的 ip + 目的 port）
    addrlen：地址信息長度

4. 接收接口

ssize_t recvfrom(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags, struct sockaddr* src_addr, socklen_t* addrlen);
      sockfd：套接字的操作句柄
      buf：從接收緩衝區拿到的數據存放位置
     len：接收 buf 定義的最大長度，預留 \0 的位置
     flags：0：阻塞接收
     src_addr：源主機的地址信息（ip + port）
     addrlen：地址信息長度，輸入輸出型參數，作爲入參，指定傳入源主機地址信息結構體的長度，作爲出參，將實際的地址信息長度返回

5. 關閉套接字

close(int sockfd);

TCP 套接字編程的流程

連接流程

TCP 編程的接口

1. 監聽接口

int listen(int sockfd, int backlog)
    sockfd：指定套接字操作句柄
    backlog：已完成連接隊列的大小
         同一時刻，服務端最大的併發連接數

監聽的時候，一旦有新的連接到來，OS 會對新的連接分配一個 socket，進行 1 對 1 服務

2. 接收連接

int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
    sockfd：偵聽 socket
    addr：客戶端地址信息
    addrlen：客戶端地址信息的長度，輸入輸出型參數
    返回值：返回的是操作系統內核創建的新的 socket 文件描述符

3. 客戶端的發起連接的接口

int connect(int sockfd, const sockaddr* addr, socklen_t addrlen)
    sockfd：套接字描述符
    addr：服務器的地址信息（當前客戶端需要連接哪一個服務端的地址信息）
    addlen：地址信息長度

4. 發送數據

ssize_t send(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
    sockfd：accept函數返回的操作系統內核新創建的 socket 句柄
    buf：要給對端發送什麼數據
    len：發送數據的長度
    flags：0：阻塞發送
    dest_addr：目標主機的地址信息（目的 ip + 目的 port）
    addrlen：地址信息長度

5. 接收接口

ssize_t recv(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
      sockfd：accept函數的返回值
      buf：從接收緩衝區拿到的數據存放位置
     len：接收 buf 定義的最大長度，預留 \0 的位置
     flags：0：阻塞接收
                MSG_PEEK：探測接收（不會將接收緩衝區當中的數據擦除，而是拷貝接收緩衝區的數據，接收緩衝區當中還是原有的數據）

6. 關閉套接字

close(int sockfd);

解決 TCP 通信阻塞

創建執行流解決
一個執行流專門監聽，獲取連接，每新獲取一個連接，就爲該連接創建一個執行流去爲客戶端服務
多進程、多線程