【网络】socket套接字基础知识

IP与端口号

• IP

每台主机都有自己的IP地址，所以当数据从一台主机传输到另一台主机就需要IP地址。报头中就会包含源IP和目的IP

源IP地址：发送数据报那个主机的IP地址，目的IP地址：想发送到的那个主机的IP地址

我们把数据从一台主机传递到另一台主机不是真正目的，真正通信的不是这两个机器，其实是这两台机器上面的软件

应用层不止一个软件。公网IP标识了一台唯一的主机，那么数据就可以由一台主机传递到另一台主机。但是有这么多的软件（进程），怎么保证软件A发送的被软件B接收呢？也就是说用什么来标识主机上客户或者服务进程的唯一性呢？

为了更好的表示一台主机上服务进程的唯一性，用端口号port标识服务进程、客户端进程的唯一性。

• 端口号

端口号是一个2字节16位的整数 端口号用来标识一个进程，告诉操作系统要把数据交给哪一个进程 一个端口号只能被一个进程占用（同一个主机）

由上面可以知道：

IP地址（标识主机全网唯一主机）+ 端口号（标识服务器上唯一的进程）能够标识网络上的某一台主机的某一个进程（全网唯一进程） 网络通信的本质就是进程间通信。而我们之前说过进程间通信的本质是看到同一份资源，现在这个资源就是网络 通信的本质就是IO，因为我们上网的行为就两种情况：1.把数据发送出去 2.接收到数据。

标识一个进程有pid，那么为什么还需要端口号port呢？

解耦：首先pid是系统规定的，而port是网络规定的，这样就可以把系统和网络解耦。 port标识服务器的唯一性不能做任何改变，要让客户端能找到服务器，就像110，120样不能被改变。而每次启动进程pid就会改变。 不是所有的进程都需要提供网络服务或请求（不需要port），但每个进程都需要pid。

一个端口号只能被一个进程占用，但是一个进程可以绑定多个端口号

底层OS如何根据port找到指定的进程——uint16（端口号）——task_struct——哈希

我们在网络通信的过程中，IP+port标识唯一性，IP有源IP和目的IP，port也有源端口号和目的端口号。所以我们在发送数据的时候也要把自己的IP和端口号发送过去，因为数据还要被发送回来。所以发送数据的时候一定会多出一部分数据（以协议的形式呈现）

TCP/UDP协议

我们用的套接字接口一定会使用传输层协议，不会绕过传输层去调用下面的协议。而传输层的协议分为TCP协议和UDP协议

• TCP协议

TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议) 特点：

传输层协议 有连接（正式通信前要先建立连接） 可靠传输（在内部帮我们做可靠传输工作） 面向字节流

UDP(User Datagram Protocol 用户数据报协议) 特点：

传输层协议 无连接 不可靠传输 面向数据报

注意:

理解不可靠传输:如发送数据时出现了丢包的情况、或者数据被重复传递了（传递了多份）、或者网络出现了问题等等造成的后果就叫做不可靠。所以传输层就是用来解决可靠性的一个协议。 可不可靠是一个中性词。可靠是需要成本的，往往在维护和编码上都比较复杂；而不可靠没有成本，使用起来也简单。所以要分场景使用。

网络字节流

我们知道内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分。

小端：低权值的数放入低地址。（低低低） 大端：低权值的数放入高地址。

现在就出现一种情况：可能一个大端机用大端的方式发送数据到一个小端机。如果现在跨网络我们也不知道数据到底是大端和小端:

所以就有了规定：网络中的数据都是大端。 发送数据的主机如果是大端机就不用管，如果是小端机就把小端转成大端再发送。接收数据同理

如何定义网络数据流的地址:

发送主机把发送缓冲区中的数据按内存地址从低到高的顺序发出 接收主机把从网络上接到的字节依次保存在接收缓冲区中,也是按内存地址从低到高的顺序保存 也就是说先发出的数据是低地址,后发出的数据是高地址 TCP/IP协议规定,网络数据流应采用大端字节序,即低地址高字节 不管这台主机是大端机还是小端机, 都会按照这个TCP/IP规定的网络字节序来发送/接收数据;如果当前发送主机是小端, 就需要先将数据转成大端; 否则就忽略, 直接发送即可

把数据转化成大端的工作可不需要我们自己来做，那太麻烦了，可以调用库函数做网络字节序和主机字节序的转换即可：

#include <arpa/inet.h>
// 主机序列转网络序列
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
// 网络序列转主机序列
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

**h表示host,n表示network,l表示32位长整数,s表示16位短整数。**主机是大端还是小端在函数内部会自己进行判断。 如果主机是小端字节序,这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回。 如果主机是大端字节序,这些函数不做转换,将参数原封不动地返回。

如果是其他数据类型呢？不用担心，未来网络发送的时候所有数据都是字符串；发送数据时使用的原生接口对于字符串信息自动转化

socket套接字接口

• socket常见API

// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);

// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,socklen_t address_len);

// 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);

// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,socklen_t* address_len);

// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

IP地址+端口号能够标识该主机上的唯一的一个进程：ip和端口号port就叫为套接字,socket就是插座的意思，未来进行网络通信时，插头和插座配套使用。

函数参数里面有个叫sockaddr的结构体类型，这个我们需要了解一下👇

• sockaddr的结构体

套接字种类是比较多的。常见的有三种：

1.网络套接字 2.原始套接字 3.unix域间套接字 我们主要了解第一个网络套接字

网络套接字主要运用于跨主机之间的通信，也能支持本地通信，而域间套接字只能在本地通信。而原始套接字可以跨过传输层（TCP/IP协议）访问底层的数据。这些套接字应用场景完全不同，所以我们想用就得用三套不同的接口。而为了方便，设计者只设计了一套接口，就可以通过不同的参数，解决所有网络或者其他场景下的通信问题。

这里举两个具体的套接字类型：sockaddr_in（inet,网络通信）与sockaddr_un(unix，域间套接)

struct sockaddr_in {
    short int sin_family;           // 地址族，一般为AF_INET
    unsigned short int sin_port;    // 端口号，网络字节序
    struct in_addr sin_addr;        // IP地址
    unsigned char sin_zero[8];      // 用于填充，使sizeof(sockaddr_in)等于16
};

struct sockaddr_un {
    sa_family_t sun_family;       /* AF_UNIX */
    char sun_path[108];    /* 带有路径的文件名 */
};//通过同一个文件的路径来让进程看到同一份资源

可以看到sockaddr_in和sockaddr_un是两个不同的通信场景。区分它们就用前2个字节：16地址类型协议家族的标识符（代表是本地通信还是网络通信）。 我们两个结构体都不用，直接用sockaddr。未来进行网络编程时，如果是网络通信，填充的网络信息是struct sockaddr_in这个结构体。

比如说我们想用网络通信，虽然参数是const struct sockaddr *addr，但实际传递进去的却是sockaddr_in结构体（类型不一样，要强制类型转换）。在函数内部一视同仁，全部看成sockaddr类型，然后根据前两个字节判断到底是什么通信类型然后再强转回去。

接口的设计为什么是structaddr*结构，C语言为了能够接收任意类型是void*,为什么不使用void*,而且void*不用强转 因为设计这一批接口时C语言标准还没有void* 这是OS的接口，不可随意更改，其他语言可能不支持void*

所以这就相当于：可以把sockaddr看成基类，把sockaddr_in和sockaddr_un看成派生类，构成了多态体系

总结

IP地址+端口号port可以标识网络上的某一台主机的某一个进程（全网唯一） TCP/UDP协议都是传输层的协议，其他特点不同：如UDP是不可靠的 套接字是一种网络通信的机制，IP+端口号port是套接字的形式，网络字节序列规定为大端，规定网络中的数据是大端的。 sockaddr使用统一的接口解决所有网络或者其他场景下的通信问题