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15. 网络编程 - <sys/socket.h> 和 <netinet/in.h>

网络编程在C语言中是通过套接字来实现的，套接字提供了进程间通信的端点。C语言的网络编程涉及到创建套接字、绑定地址、监听和接收数据。以下是网络编程的关键概念和基本实现方法。

15.1. 套接字基础

15.1.1. 套接字类型与协议

套接字是网络通信的基础，它分为不同的类型和协议：

• 套接字类型：

  • 流套接字（SOCK_STREAM）：基于TCP协议，提供可靠的双向字节流通信。
  • 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：基于UDP协议，无连接，面向消息，通信时不保证消息顺序和完整性。

• 协议：

  • TCP（传输控制协议）：提供可靠、有序的字节流服务，比如HTTP。
  • UDP（用户数据报协议）：提供较低效能的、不可靠的数据报服务，比如DNS查询。

15.1.2. 创建和绑定套接字：socket, bind

创建套接字并绑定到指定IP和端口是建立网络服务的基础步骤。

• socket 函数：用于创建一个新的套接字。

  int socket(int domain, int type, int protocol);
  

  • domain：地址族，一般为 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）。
  • type：套接字类型，如 SOCK_STREAM（TCP）或 SOCK_DGRAM（UDP）。
  • protocol：通常设为 0，自动匹配。

• bind 函数：将套接字与特定IP地址和端口绑定。

  int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  

  • sockfd：由 socket 返回的文件描述符。
  • addr：IP地址和端口信息结构体，通常为 struct sockaddr_in。
  • addrlen：地址结构体的长度。

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建套接字 [1]struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); // 清零server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 任意可用的接口server_addr.sin_port = htons(8080); // 绑定端口8080bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); // 绑定套接字 [2]return 0;
}

• [1]创建套接字：使用 socket 函数创建TCP套接字。IPv4地址AF_INET，流套接字类型。
• [2]绑定套接字：bind 函数将创建的套接字绑定到结构体中指定的IP地址和端口上。

15.2. 客户端与服务器模型

15.2.1. TCP 服务器：listen, accept

在创建并绑定了套接字后，服务器需要监听连接和接受请求。

• listen 函数：将套接字设置为被动监听状态。

  int listen(int sockfd, int backlog);
  

  • sockfd：套接字描述符。
  • backlog：等待连接队列的最大长度。

• accept 函数：从连接队列中取出一个连接请求。

  int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
  

  • sockfd：监听中的套接字。
  • addr：客户机的IP地址和端口信息。
  • addrlen：用户提供的地址结构的大小。

listen(sockfd, 5); // 开始监听 [3]
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addrlen = sizeof(client_addr);
int client_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &addrlen); // 接受连接 [4]

• [3]监听连接：listen 将套接字置为监听状态。
• [4]接受连接：accept 从队列中取出一个连接。

15.2.2. TCP 客户端：connect

客户端需要连接到服务端的指定地址和端口。

• connect 函数：用于连接到服务端。

  int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  

  • sockfd：套接字描述符。
  • addr：服务端的 IP 地址和端口信息。
  • addrlen：服务器地址信息的结构体大小。

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建套接字
struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); // 清空地址
server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr); // IP 地址 [5]
server_addr.sin_port = htons(8080); // 目标端口
connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); // 发起连接请求 [6]

• [5]设置地址：使用 inet_pton 设置目标服务的 IP。
• [6]发起连接请求：connect 连接到指定服务器。

15.2.3. 数据传输：send, recv

一旦连接建立，服务端和客户端之间就可以通过以下函数进行数据传输。

• send 函数：用于发送数据。

  ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
  

  • sockfd：套接字描述符。
  • buf：要发送的缓冲区。
  • len：缓冲区长度。
  • flags：传输标志，通常设置为0。

• recv 函数：用于接收数据。

  ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
  

  用法与 send 类似。

char buffer[1024];
send(client_sockfd, "Hello, World!", 13, 0); // 发送信息 [7]
recv(client_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0); // 接收信息 [8]

• [7]发送信息：使用 send 传输数据。
• [8]接收信息：使用 recv 接收数据。

15.3. 高级套接字编程

15.3.1. 多路复用：select, poll

多路复用允许程序在一个线程中监视多个文件描述符上的事件。

• select 函数：用于监视多个文件描述符。

  int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
  

• poll 函数：与 select 相似，使用 pollfd 结构体数组。

  int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
  

15.3.2. UDP 套接字编程

UDP 套接字不需要连接，可以直接使用 sendto 和 recvfrom。

• sendto 函数：用于发送UDP数据包。

  ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
  

• recvfrom 函数：用于接收UDP数据包。

  ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
  

char udp_buffer[1024];
struct sockaddr_in dest_addr;
memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
dest_addr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", &dest_addr.sin_addr);
dest_addr.sin_port = htons(9090);
sendto(sockfd, "UDP message", 11, 0, (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr)); // 发送UDP [9]
recvfrom(sockfd, udp_buffer, sizeof(udp_buffer), 0, NULL, NULL); // 接收UDP [10]

• [9]发送UDP: 使用 sendto 发出数据。
• [10]接收UDP: 使用 recvfrom 接收UDP数据。

通过这些概念和代码示例，你可以开始进行C语言的网络编程，创建基本的网络应用程序。无论是客户端还是服务器端处理，正确使用这些网络编程API是至关重要的。