windows和Linux下的socket

在Windows下,socket相关函数主要在winsock2.h

UDP编程

udp是无连接的通信协议,因此不用调用TCP连接过程中的listen()函数和accept函数.对于UDP协议来说,主要完成创建套接字和数据交换过程.

flowchart TB
subgraph server
  s([socket])-->sb[bind]
  sb-->sr[recvfrom]-->ss[sendto]-->sc([close])
  end

subgraph client
  c([socket])-->cs[sendto]-->cr[recvfrom]-->cc([close])
  end

cs-->|request|sr
ss-->|response|cr

创建套接字

Linux下的socket

定义

#include <sys/socket.h>
/**
domain(protocol family) 套接字中使用的协议簇信息,ipv4,v6等
type 套接字数据传输类型信息,连接还是无连接
protocol 计算机通信中使用的协议信息
*/

int socket(int domian,int type,int protocol)

参数说明

参数	选项	意义
domain	PE_INET	IPv4协议簇
	PE_INET6	IPv6协议簇
type	SOCK_STREAM	创建面向连接的套接字(不存在数据边界)
	SOCK_DGRAM	创建面向消息的套接字
protocol	IPPROTO_UDP	UDP协议,协议号为17
	IPPROTO_TCP	TCP协议,协议号8
	0	使用缺省的协议

创建UDP,TCP socket的套接字: int udp_socket = socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,IPPROTO_UDP)

创建TCP socket: int tcp_socket = socket(PF_INET,SOCK_STREAM, IPPROT_TCP);

Windows下的socket

在winsock2.h中,socket()函数的定义为:SOCKET socket(int af, int type, int protocol);

返回值SOCKET为一个整形的结构体变量.Linux下创建套接字创建失败返回-1,但是Windows下,SOCKET的值不一定为-1.

绑定端口

bind()

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

/**
sockfd socket()返回的文件描述符
addr 指向数据结构struct sockaddr的指针
addrlen 地址结构体(struct sockaddr)的长度
int bind(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

bind()函数是服务器调用的函数,用于将服务器进程和ip:port套接字进行绑定.因为一个服务器上可能有多个网卡,所以服务器除了要绑定端口之外,还需要绑定网卡(IP地址).

如果要监听服务器上所有网卡(ip)的指定端口,则可以在bind()函数中将ip设置为:INADDR_ANY,表示只要是发送到服务器的PORT端口的,无论是哪个网卡/IP收到的,都由该服务端进行处理.

bind()的过程为:

graph TB
subgraph sockaddr
port_string([字符型port])-->|atoi函数|port_int
  port_int([整数port])-->|htons函数|sin_port-->addr_in[sockaddr_in]
  ip([IPv4])-->|inet_addr|In_addr_t[s_addr]-->|in_addr.s_addr=s_addr|sin_addr[struct in_addr]-->addr_in
  ip-->|inet_aton|sin_addr
  AF_Inet-->addr_in
  end
  addr_in-->|const struct sockaddr*强制类型转换|addr[sockaddr]
  addr-->bind
  addr-->|sizeof函数|bind
  sock-->bind

sockaddr结构体

sockaddr_in结构体

sockaddr_in中,in表示Internet

创建套接字之后,需要绑定地址和端口,此时需要使用struct sockaddr_in结构体将地址信息传送给bind().sockaddr_in的结构体声明为:

在struct sockaddr_in结构体中,sin_port需要在UDP协议中用到,sin_addr需要在ip协议中用到,因此需要将其转换为网络字节序.而sin_family只是被内核使用来据欸的那个数据结构中包含何种类型的地址,所以必须是本机字节序.

struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port; //16位端口号,以网络字节序保存
    struct in_addr sin_addr;  //32位IP地址信息,以网络字节序保存,可以当作是32位整数

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr)
      - __SOCKADDR_COMMON_SIZE
      - sizeof (in_port_t)
      - sizeof (struct in_addr)];
  };

struct in_addr{
  In_addr_t s_addr;//32bit ipv4
}

sockaddr结构体

sockaddr结构体并非只是为了IPv4而设计,相当于是sockaddr_in的父类.

struct sockaddr{
  sa_family_t sin_family;//地址族,必须清0
  char sa_data[14];//地址信息,包含套接字中的ip和端口号信息,其他补充0
}

sockaddr字节序转换(Endian Conversions)

常用于进行字节序转换的函数有:

unsigned short htons(unsigned short);
unsigned short ntohs(unsigned short);
unsigned long htonl(unsigned long);
unsigned long ntohl(unsigned long);

函数的命名规则为:h/n+to+n/h+type n:网络字节序 h:主机字节序 l:long,32位,通常用于IP地址 s:short,1位,通常用于port转换

点分十进制字符串IP地址转整数型IP

inet_addr()

使用inet_addr()函数可以将字符串形式的点分十进制IP地址转换成32位的整数型数据.其原型为:

#include <arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char *string);
/*
成功时返回32位的大端序整数型值,失败时返回INADDR_NONE(可以检测无效的IP地址)
in:internet
*/

inet_aton()

使用inet_aton()也可以将字符型的IP地址转换成整数型ip地址.

#include <arpa/inet.h>

int inet_aton(const char * string,struct in_addr * addr);
/**
string 点分十进制的ip地址
addr 保存转换后的ip地址的in_addr结构体的地址
return 转换成功?1:0
*/

所以一般的用法为:

if(!inet_aton(char * string,&sockaddr_in.sin_addr))
  error_handing("ip address conversion error")

inet_pton()

该方法类似于inet-aton(),但是不同之处在于,inet_pton()不仅支持IPv4协议地址转换,还支持IPv6.

数据交换

UDP数据传输特性和connect函数

UDP是有数据边界的协议,传输过程中调用I/O函数的次数十分重要.输入函数的调用次数应该和输出函数的调用次数完全一致,这样才能保证接收全部已发送数据.

即UDP一次只能接收一个UDP数据报,无论接收方缓冲区开的有多大.

造成这个问题的原因主要为: UDP是面向数据报的协议,而TCP是面向流的协议.也就是说TCP在发送时,会将大的数据进行拆包处理然后再进行传输,而UDP面向报文,因此每个UDP报文中有完整的报文头部,接收方容易对其进行处理.

总结:面向流传输和面向报文传输: TCP:需要保证可靠传输,因此在报文接收发送之后需要反馈机制,如果是采用面向报文的方式,那么每次发包都需要进行验证,这会造成比较大的开销,而采用面向流的传输,则可以将多个包一起发送,减少了发包的数量及其开销.但是,如果进行频繁的数据传输,则会产生粘包问题.(多个数据包首尾相连)

粘包问题的处理

如果多个包是串行的,如一个文件的多个部分,那么粘包其实不用处理
如果多个包是不相关的,这个时候就需要处理粘包问题了

UDP不回产生粘包问题:有多少包,发送方就会调用多少次sendto()来发送数据,这就是UDP保护消息边界

example: client调用了3次sendto()之后,server等待了5s之后再调用recvfrom()函数接收,如果是TCP程序,只需要调用一次接收函数,因此TCP是没有边界的,但是UDP需要调用3次recvfrom()函数,因为UDP是有边界的.

数据发送

UDP中使用sendto()函数进行数据IO.sendto()的定义为:

/** Send N bytes of BUF on socket FD to peer at address ADDR (which is
   ADDR_LEN bytes long).  Returns the number sent, or -1 for errors.

   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.

int fd:socket描述符
void * buf:要发送的数据地址
size_t n:待传输的数据长度,以Byte为单位
int flag:可选参数.若无则传递0
addr:保存客户端地址信息的sockaddr地址
addr_len:客户端地址结构体的长度

  */
extern ssize_t sendto (int __fd, const void *__buf, size_t __n,
		       int __flags, __CONST_SOCKADDR_ARG __addr,
		       socklen_t __addr_len);

数据接收

connected/unconnected udp socketed

TCP套接字中需要注册待传输数据的目标IP和端口号,但是UDP则无需注册.使用sendto()发送数据的大致过程主要有三个阶段:

向UDP套接字注册目标IP和端口号
传输数据
删除UDP套接字中注册的目标地址信息

每次调用sendto()函数都会重复以上过程.

connected socket:已经注册了地址信息的套接字 UDP 套接字属于unconnected socket.

但是这样有一个问题:如果一次有多个数据要发送,则需调用多次sendto进行传输.这种情况下,使用connected socket就将会减少多次调用sendto产生的连接注册/取消的代价.

即:调用connect()函数向UDP套接字注册IP和端口等地址信息,而不是要和对方UDP套接字创建连接.

C++-UDP Socket编程

windows和Linux下的socket

UDP编程

创建套接字

Linux下的socket

定义

参数说明

Windows下的socket

绑定端口

bind()

sockaddr结构体

sockaddr_in结构体

sockaddr结构体

sockaddr字节序转换(Endian Conversions)

点分十进制字符串IP地址转整数型IP

inet_addr()

inet_aton()

inet_pton()

数据交换

UDP数据传输特性和connect函数

数据发送

数据接收

connected/unconnected udp socketed