unix环境高级编程学习——网络编程

显示全部楼层 · 2023-9-15 14:31:13

1. UNIX网络编程概述

网络编程是编写能通过网络进行通信的程序的过程。网络程序在UNIX系统上得到了广泛的应用，包括TCP/IP协议族的各种服务，如HTTP、FTP、SMTP等。UNIX网络编程通常涉及套接字（sockets）编程，这是一种用于在网络上进行通信的基本抽象概念。套接字提供了一种通用的接口，使得程序可以使用不同的协议族进行通信。

2. 套接字编程基础

在UNIX系统中，套接字是一种抽象的概念，它提供了应用程序和网络协议族之间的接口。通过使用套接字，应用程序可以连接到远程服务器，发送和接收数据。套接字编程涉及到以下几个基本步骤：

2.1 创建套接字

使用socket()函数来创建一个套接字。该函数接受两个参数：协议族和套接字类型。例如，要创建一个TCP/IP的流式套接字，可以使用如下代码：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

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2.2 绑定地址

使用bind()函数将地址（IP地址和端口号）绑定到套接字上。例如，要绑定一个IP地址为127.0.0.1，端口号为8080的套接字，可以使用如下代码：

struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(8080);
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

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2.3 监听连接

使用listen()函数使得套接字变为被动模式，等待客户端的连接。例如，可以使用如下代码：

listen(sockfd, BACKLOG);

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2.4 接受连接

使用accept()函数接受客户端的连接。例如，可以使用如下代码：

struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t clientaddrlen = sizeof(clientaddr);
int newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientaddrlen);

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2.5 发送和接收数据

使用send()和recv()函数来发送和接收数据。例如，可以使用如下代码：

char sendbuf[MAXLINE] = "Hello, world!";
send(newsockfd, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);
char recvbuf[MAXLINE];
recv(newsockfd, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0);

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2.6 关闭连接

使用close()函数来关闭连接。例如，可以使用如下代码：

close(newsockfd);
close(sockfd);

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3. 高级套接字编程技术
3.1 非阻塞式I/O操作

默认情况下，套接字I/O操作是阻塞的，即当操作不能立即完成时，调用会阻塞程序的执行。例如，当程序调用读取操作时，如果数据尚未准备好，那么读取操作将会阻塞，直到数据准备好为止。在这种情况下，程序将无法执行其他任务，直到读取操作完成。
非阻塞式I/O允许程序设置套接字为非阻塞模式，这样当操作不能立即完成时，调用会立即返回。这样可以提高程序的并发性能，因为程序可以在等待I/O操作完成时执行其他任务。

可以使用fcntl()函数来设置非阻塞模式：

int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

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这段代码将会获取当前套接字的文件状态标志（通过调用F_GETFL命令），然后将其与O_NONBLOCK标志进行按位或操作（通过调用F_SETFL命令），以设置套接字为非阻塞模式。在此模式下，当套接字上的I/O操作不能立即完成时，操作将返回一个错误代码，而程序可以继续执行其他任务。

3.2 多线程和多进程服务器程序

多线程和多进程服务器程序可以提高服务器的并发处理能力。在多线程服务器程序中，每个连接都由一个线程来处理。在多进程服务器程序中，每个连接都由一个进程来处理。可以使用fork()函数来创建子进程，使用pthread_create()函数来创建线程。
对于多线程服务器程序，每个线程都会独立地处理一个连接。这种方式的优点是，由于线程共享相同的内存空间，线程间的通信和数据共享相对简单。然而，多线程编程也需要注意线程同步和互斥问题，以防止数据竞争等问题。例如，在C++中，可以使用互斥锁（mutex）和条件变量（condition variable）等机制来实现线程同步和互斥。

对于多进程服务器程序，每个进程都会独立地处理一个连接。由于进程拥有独立的内存空间，进程间的通信和数据共享相对复杂。常用的进程间通信方式包括管道（pipe）、消息队列（message queue）、共享内存（shared memory）等。例如，在Linux系统中，可以使用pipe()函数来创建一个管道，使得父进程和子进程可以通过管道进行通信。

无论是多线程还是多进程服务器程序，都需要考虑并发访问的安全性和效率问题。例如，在多线程服务器程序中，需要使用线程同步机制来确保多个线程不会同时访问共享资源；在多进程服务器程序中，需要使用进程间通信机制来确保多个进程可以协同工作。同时，还需要注意避免死锁和饥饿等问题，以确保服务器的稳定性和性能。

4.高级网络编程技术
4.1 TCP协议的高级特性

TCP协议有许多高级特性，如滑动窗口、确认应答、重传、流量控制、拥塞控制等。这些特性可以提供可靠的数据传输服务，同时也保证了网络的高效利用。
比如滑动窗口，就是一种流量控制技术，用于控制发送方和接收方之间的数据流量。它允许发送方在接收到确认应答之前发送多个数据包，从而提高网络的吞吐量。确认应答是一种可靠性机制，用于确保接收方正确接收数据包。当接收方收到数据包时，它会发送一个确认应答给发送方，告诉发送方数据包已经正确接收。重传是一种可靠性机制，用于在数据包丢失或损坏时重新发送数据包。当接收方没有收到数据包或者收到的数据包损坏时，它会发送一个重传请求给发送方，请求重新发送数据包。流量控制是一种机制，用于防止发送方发送过多的数据给接收方，从而导致接收方无法处理。通过流量控制，发送方可以根据接收方的处理能力来控制数据包的发送速率。拥塞控制是一种机制，用于避免过多的数据包同时在网络中传输，从而导致网络拥塞。当网络出现拥塞时，拥塞控制机制会降低发送方的发送速率，以减少网络中的数据包数量。

这些高级特性使得TCP协议能够在不可靠的IP网络上提供可靠的数据传输服务。例如，当网络中出现拥塞时，拥塞控制机制会降低发送方的发送速率，以避免网络拥塞。这样，TCP协议可以在网络拥塞时保持数据传输的可靠性。另外，通过滑动窗口、确认应答和重传等机制，TCP协议可以在数据包丢失或损坏时重新发送数据包，从而确保数据的完整性。这些特性使得TCP协议成为互联网上最常用的传输协议之一。

4.2 UDP协议的高级特性

UDP协议虽然不像TCP协议那样有众多高级特性，但它提供了简单、快速的数据传输服务，适用于不需要可靠传输的场景。
UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种无连接的协议，它不像TCP那样需要建立连接和进行握手，因此可以减少一些传输延迟。UDP不提供可靠传输服务，也就是说，它不保证数据包的顺序、重复或丢失问题。这使得UDP适用于那些需要快速传输和对丢失数据包可以容忍的场景，如视频流、语音通话和游戏等。

此外，UDP协议还有一些其他的高级特性，例如：

广播和多播：UDP支持广播和多播，这意味着一台计算机可以同时向一个子网或一组计算机发送数据包。这种特性使得UDP适用于一些需要高效发送消息给多个接收者的应用，如网络直播和多人在线游戏。
校验和：虽然UDP不提供可靠传输，但它包含一个校验和字段，用于检测数据包在传输过程中的完整性。如果数据包在传输过程中被损坏，接收方可以通过校验和来检测并丢弃损坏的数据包。
端口号：与TCP一样，UDP也使用端口号来标识发送和接收应用程序。这使得一台计算机可以同时运行多个基于UDP的应用程序。
数据包大小：UDP对数据包的大小没有限制，这使得它适用于那些需要发送大量数据的应用，如视频流和游戏。

总的来说，虽然UDP没有TCP那么多的高级特性，但它的简单性和快速性使得它在某些场景下更为适用。理解这些高级特性可以帮助开发人员更好地利用UDP协议进行网络编程。

4.3 数据报文分割和重组

在某些情况下，需要将数据报文分割成更小的数据片段进行传输，然后在接收端进行重组。这时可以使用TCP/IP协议中的分片和重组机制。
例如，当发送一份大文件时，我们可以将文件分割成多个小的数据包，每个数据包都包含一部分文件内容。然后，这些数据包可以通过TCP/IP协议进行传输，接收端在收到所有数据包后，可以将它们按照顺序重新组合成原始文件。

另外，在一些实时通信场景中，如视频通话或在线游戏，也需要将数据报文分割和重组。因为这些应用需要快速传输大量数据，而且需要保证数据的实时性，所以通常会将数据分割成较小的片段进行传输，以确保数据的实时性和稳定性。

总之，数据报文分割和重组是网络编程中常见的操作，可以提高传输效率和保证数据的实时性。

4.4 数据加密和压缩

为了保证数据的机密性和可用性，需要对数据进行加密和压缩。常用的加密算法有AES、DES等，常用的压缩算法有Zlib、LZMA等。
例如，当我们发送一份重要文件时，我们可以使用AES算法对文件进行加密，以确保文件内容不会被窃取或篡改。同时，我们可以使用Zlib算法对文件进行压缩，以减小文件大小并加快传输速度。
另外，在一些特殊的应用场景中，如军事通信或金融交易，数据的机密性和完整性更加重要。这时，我们可以使用更高级的加密算法，如RSA或ECC，以确保数据的安全性。
总之，数据加密和压缩是网络编程中必要的操作，可以保护数据的机密性和完整性，并提高传输效率和性能。

4.5 网络测量和控制

网络测量和控制是网络编程的重要部分。可以使用ping、traceroute等工具进行网络测量，使用SNMP、Netstat等工具进行网络控制。
例如，我们可以使用ping命令来测试网络的连通性，通过发送ICMP协议的数据包，检测目标主机是否可达，并获取网络延迟等信息。traceroute命令可以用来追踪数据包在网络中的传输路径，帮助我们了解数据包经过哪些路由器节点，从而分析网络的拓扑结构和性能瓶颈。

另外，SNMP（简单网络管理协议）是一种用于网络管理的协议，它可以让网络管理员远程监控和管理网络设备，如路由器、交换机等。Netstat命令可以用来查看网络连接状态、监听端口等信息，帮助我们了解网络的使用情况和性能表现。

总之，网络测量和控制是网络编程中不可或缺的部分，它可以帮助我们了解网络的性能和状态，从而优化网络配置和提高网络效率。

5.网络编程实践
通过实践可以更好地理解和掌握网络编程。以下是一些网络编程实践的建议：
5.1 编写一个简单的Echo服务器程序
以下是一个使用TCP协议的Echo服务器程序的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8080
int main(int argc, char const *argv[]) {
int server_fd, new_socket;
struct sockaddr_in address;
int addrlen = sizeof(address);
char buffer[1024] = {0};
char *hello = "Hello from server";
// Creating socket file descriptor
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(PORT);
// Forcefully attaching socket to the port 8080
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
perror("bind failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (listen(server_fd, 3) < 0) {
perror("listen");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
perror("accept");
exit(EXIT_FAILURE);
}
int valread = read(new_socket, buffer, 1024);
printf("%s\n",buffer);
send(new_socket, hello, strlen(hello), 0 );
printf("Hello message sent\n");
return 0;
}

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5.2 编写一个简单的Web服务器程序
以下是一个使用TCP协议的Web服务器程序的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#define PORT 8080 // 服务器监听的端口号
#define BUFFER_SIZE 1024 // 接收缓冲区大小
int main() {
int server_fd, new_socket;
struct sockaddr_in address;
int addrlen = sizeof(address);
char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
char *response = "HTTP/1.1 200 OK\nContent-Type: text/html\n\n<html><body><h1>Hello, World!</h1></body></html>";
// 创建套接字文件描述符
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(PORT);
// 将套接字绑定到指定的端口号
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
perror("bind failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (listen(server_fd, 3) < 0) {
perror("listen");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
perror("accept");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 接收客户端请求并发送响应
memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
if ((recv(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE, 0)) < 0) {
perror("recv failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Received: %s\n", buffer);
send(new_socket, response, strlen(response), 0);
printf("Sent: %s\n", response);
// 关闭套接字和套接字文件描述符
close(new_socket);
close(server_fd);
return 0;
}

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5.3 编写一个简单的FTP服务器程序
FTP服务器程序可以让客户端上传和下载文件，并保证文件的完整性。以下是使用TCP协议的FTP服务器程序的示例代码：

#include <stdio.h> // 引入标准输入输出库
#include <stdlib.h> // 引入标准库
#include <string.h> // 引入字符串处理库
#include <sys/socket.h> // 引入套接字库
#include <arpa/inet.h> // 引入网络编程库
#include <unistd.h> // 引入Unix系统编程库
#define PORT 21 // 定义FTP服务器端口号
int main(int argc, char const *argv[]) {
int server_fd, new_socket; // 定义服务器套接字和客户端套接字
struct sockaddr_in address; // 定义地址结构体
int addrlen = sizeof(address); // 定义地址结构体长度
char buffer[1024] = {0}; // 定义接收缓冲区
char *response = "220 Welcome to FTP Server"; // 定义FTP服务器欢迎响应
// 创建套接字文件描述符
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
perror("socket failed"); // 套接字创建失败处理
exit(EXIT_FAILURE); // 退出程序
}
address.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为IPv4
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 设置IP地址为任意地址
address.sin_port = htons(PORT); // 设置端口号为定义的FTP服务器端口号
// 将套接字绑定到指定的端口号
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
perror("bind failed"); // 绑定失败处理
exit(EXIT_FAILURE); // 退出程序
}
if (listen(server_fd, 3) < 0) { // 开始监听客户端连接请求
perror("listen"); // 监听失败处理
exit(EXIT_FAILURE); // 退出程序
}
if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) { // 接受客户端连接请求
perror("accept"); // 接受连接失败处理
exit(EXIT_FAILURE); // 退出程序
}
// FTP命令列表
char *command[] = { "USER", "PASS", "CWD", "LIST", "GET", "PUT", NULL };
int j = 0;
while(1) { // 循环处理客户端请求
memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); // 清空接收缓冲区
if((recv(new_socket, buffer, 1024, 0)) < 0) { // 接收客户端发送的数据
perror("recv failed"); // 接收数据失败处理
exit(EXIT_FAILURE); // 退出程序
}
for(int i = 0; command[i]; i++) { // 遍历FTP命令列表
if(strncmp(buffer, command[i], strlen(command[i])) == 0) { // 判断接收到的数据是否与FTP命令匹配
if(buffer[strlen(command[i])] == ' ') { // 判断命令后是否有空格，表示命令带有参数
send(new_socket, response, strlen(response), 0); // 向客户端发送命令执行结果（正面结果）
} else { // 命令没有参数的情况
send(new_socket, "500 Command not implemented", strlen("500 Command not implemented"), 0); // 向客户端发送命令执行结果（负面结果）
} // 结束判断命令是否带有参数的if-else条件语句
} // 结束判断接收到的数据是否与FTP命令匹配的if条件语句
} // 结束遍历FTP命令列表的for循环
memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); // 清空接收缓冲区，准备接收下一个命令或数据
} // 结束处理客户端请求的while循环
// 关闭套接字和套接字文件描述符
close(new_socket);
close(server_fd);
return 0; // 程序正常结束，返回0
} // 结束main函数
// FTP服务器程序结束