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黑马C++网络编程

发表于 更新于 分类于 本文字数： 6.3k 阅读时长 ≈ 6 分钟
黑马的网络编程

OSI七层模型-TCP/IP模型

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各个层级协议

层级 协议
应用层 http、ftp、nfs、ssh、telnet
传输层 tcp、udp
网络层 IP、ICMP、IGMP
链路层 以太网帧协议、ARP

C/S、B/S模型优缺点

C/S B/S
优点 缓存大量数据、协议选择灵活、速度快 安全性较高、跨平台、开发工作量小
缺点 开发工作量较大、安全性、不能跨平台 不能缓存大量数据、阉割遵守http协议

网络传输流程

数据没有封装之前，是不能在网络中传递

数据-应用层-传输层-网络层-链路层 网络环境

协议简介

  • 以太网帧协议

    • ARP：根据IP地址获取mac地址
    • 以太网帧协议：根据MAC地址，完成数据包传输

  • IP协议

    • 版本：IPv4、IPv6

    • TTL

      • time to live
      • 设置数据包在路由节点中的跳转上限。每经过一个路由 节点，该值-1，减为0的路由有义务将该数据包丢弃

    • 源IP：32位 — 4字节 192.168.1.108—点分十进制

    • 目的IP：32位—-4字节

      IP地址可以在网络环境中唯一标识一台主机

      端口号：可以在网络的一台主机上，唯一的标识一个进程

      IP地址+端口号：唯一标识一个进程

  • UDP

    • 16位源端口号
    • 16位目的端口号

  • TCP

    • 16位源端口号
    • 16位目的端口号
    • 32位序号
    • 32确认序号
    • 6个标志位
    • 16位窗口大小 2^16=65536

网络套接字

  • 小端法(本地字节序)

    • 高位高地址、低位低地址

    • int a = 0x12345678

      • image-20210610213342655

  • 大端法(网络字节序)

    • 高位低地址、低位高地址

  • htonl –> 本地 –> 网络(IP)

  • htons –> 本地 –> 网络(port)

  • ntohl –> 网络(IP) –> 本地

  • ntohs –> 网络(port) –> 本地

IP地址转换

  • int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

    • 本地字节序转换为网络字节序
    • af：AF_INET、AF_INET6
    • src：IP地址(点分十进制)
    • dst：传出：转换后的网络字节序 IP地址
    • 返回值：
      • 成功返回 1
      • 异常返回 0，说明src指向的不是一个有效的ip地址
      • 失败返回 -1

  • const char *inet_ntop(int af, const void *src,char *dst, socklen_t size);

    • 本地字节序转换为网络字节序

    • af：AF_INET、AF_INET6

    • src：网络字节序IP地址

    • dst：本地字节序

    • size：dst的大小

    • 返回值：

      • 成功返回 dst
      • 失败返回 NULL

sockaddr地址结构

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struct sockaddr_in addr；

addr.sin_family = AF_INET;

addr.sin_port = htons(8080);

int dst;

inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",(void *)&dst);

addr.sin_addr.s_addr = dst;

addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

bind(fd,(struct sockaddr*)&addr,size);

socket模型穿件流程图

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一个服务端和一个客户端建立通信一共三个套接字

服务端、客户端

  • 服务端：

    • bind()绑定ip+port
- listen()设置同时监听上限



- accept()阻塞监听客户端连接
  • 客户端：
    • connect()绑定ip+port

套接字函数

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#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol); 
/**
*	创建一个套接字
*	domain: AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX
*	type：SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM
*	protocol：0
*	返回值：
*		成功：新套接字所对应的文件描述符
*		失败：-1 errno
**/	

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
/**
*	给socket绑定一个地址结构
*	sockfd：socket函数返回值
*		struct sockaddr_in addr;
*		addr.sin_family = AF_INET;
*		addr.sin_port = htons(8888);
*		addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
*	addr：传入参数(struct sockaddr*)&address
*	addrlen:sizeof(addr) 地址结构的大小
*	返回值：
*		成功：0
*		失败：-1 error
**/		

int listen(int sockfd, int backlog); 
/**
*	设置同时与服务器建立连接的上线数(同时进行3次握手 的客服端数量)
*	sockfd：socket函数返回值
*	backlog：上限的值
*	返回值：
*		成功：0
*		失败： -1 error
**/	

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
/**
*	阻塞等待客服端建立连接，成功返回一个与客户端成功连接的socket文件描述符
*	sockfd：socket函数返回值
*	addr：传出参数。成功与服务器建立连接的那个客服端的地址结构
*	addrlen：&client_addr_len。传入传出。入：addr的大小，出：客服端addr的实际大小
*		socket_t client_addr_len = sizeof(addr);
*	返回值：
*		成功：能与服务器进行数据通信的socket对应的文件描述符
*		失败：-1 error
**/

 int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
/**
*	使用现有socket与服务器建立连接
*	sockfd：socket函数返回值
*	addr：传入参数。服务器的地址结构(struct sockaddr*)&address
*	addrlen：sizeof(addr) 服务器地址结构的大小
*	返回值：
*		成功：0
*		失败： -1 error
* 	如果不使用bind()函数绑定客户端地质结构，采用"隐式绑定"。
**/

TCP通信流程分析

server client
socket() 创建socket socket() 创建socket
bind() 绑定服务器地址结构 connect() 与服务器建立连接
listen() 设置监听上限 write() 写数据到socket
accept() 阻塞监听客户端连接 read() 读数据
read() 读socket获取客户端数据 close()
write() 写数据
close() 关闭套接字

TCP协议

  • 三次握手

    • 主动发起连接请求端，发送 SYN 标志位，请求建立连接。携带数据包包号、数据字节数(0)、滑动窗口大小。
    • 被动接受连接请求端，发送 ACK 标志位，同时携带 SYN 请求标志位。携带序号、确认序号、数据字节数(0)、滑动窗口大小。
    • 主动发起连接请求端，发送 ACK 标志位，应答服务器连接请求。携带序号、确认序号

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  • 四次挥手

    • 主动关闭连接请求端，发送 FIN 标志位。
    • 被动关闭连接请求端，应答 ACK 标志位。 —–半关闭完成
    • 被动关闭连接请求端，发送 FIN 标志位。
    • 主动关闭连接请求端，应答 ACK 标志位 。——连接全部关闭

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  • 滑动窗口
    • 发送给连接对端，本段缓冲区实时大小，保证数据不会丢失

TCP状态时序图

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  1. 主动发起连接请求端：CLOSE — 发送SYN — SYN_SEND — 接收ACK、SYN — SYN_SEND — 发送方ACK — ESTABLISHED(数据通信状态)

  2. 主动关闭连接请求端：ESTABLISHED(数据通信状态) — 发送FIN — FIN_WAIT_1— 接收ACK — FIN_WAIT_2 — 接收对端发送的FIN — FIN_WAIT_2 — 回发ACK — TIME_WAIT(只有主动关闭连接方，会经历该状态) — 等2MSL时长 — CLOSED

  3. 被动接收连接请求端：CLOSE — LISTEN — 接收SYN — LISTEN — 发送ACK、SYN — SYN_RCVD — 接收ACK — ESTABLISHED

  4. 被动关闭连接请求端：ESTABLISHED—接收对端FIN — ESTABLISHED — 发送ACK — CLOSE_WAIT(说明对端(主动关闭连接端)处于半关闭状态) — 发送FIN — LAST_ACK — 接收ACK — CLOSE

重点记忆： ESTABLISHED、FIN_WAIT_2 、CLOSE_WAIT、TIME_WAIT(2MSL时长)

2MSL时长

一定出现在主动关闭连接请求一端

保证，最后一个ACK能被成功接收。(等待期间，对端没有接收到ACK，对端会再次发送FIN请求)

端口复用

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int opt = 1; //设置端口复用
setsockopt(lfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,(void *)&opt,sizeof(opt));

半关闭

通信双方只有一端关闭通信。——FIN_WAIT_2(半关闭状态)

close(cfd);

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int shutdown(itn fd, int how)
/**    how:	SHUT_RD 	关闭读
 *       	SHUT_WR		关闭写
 *       	SHUT_RDWR	关闭读写
**/

区别：

  • shutdown在关闭多个文件描述符应用的文件时，采用全关闭的方法，close只关闭一个

错误处理函数

封装目的

  • 在server.c编程过程中突出裸机，将出错处理与逻辑分开，可以直接跳转man手册

wrap.c

  • 存放网络信相关常用　自定义函数
  • 命名方式：
    • 系统调用函数首字母大写 方便查看man手册。如：Listen()、Accept()
  • 函数功能：调用系统调用函数，处理出错场景
  • 在server.c 和 client.c 中调用 自定义函数
    • server.c 和 wrap.c 生成 server
    • client.c 和 wrap.c 生成 client

wrap.h

  • 存放 网络通信相关常用 自定义函数原神(声明)

高并发服务器

多进程并发服务器

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Socket();				//创建监听套接字 lfd
Bind();					//绑定地址结构 
Listen();				//设置监听上限
while(1)
{
    cfd = Accpet();		//接收客户端连接请求
    pid = fork();		//
    	
    if(pid == 0)		//子进程read()-->小写转大写-->write(cfd)
    {
        close(lfd);		//关闭用于建立连接的套接字
        read();	
        upper();
        write();
    }else if(pid > 0)
    {
        close(cfd);		//关闭用于与客户端通信的套接字 cfd

        contiue;
    }
}

  • 子进程

    • close(lfd); //关闭用于建立连接的套接字
    • read();
    • upper();
    • write();

  • 父进程

    • 注册信号捕捉函数：SIGCHLD

    • 在回调函数中，完成子进程回收

      ​ while ( waitpid());

多线程并发服务器

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Socket();				//创建监听套接字 lfd
Bind();					//绑定地址结构 
Listen();				//设置监听上限
while(1)
{
    cfd = Accpet();		//接收客户端连接请求
    pthread_create(&tid, NULL,tfn,NULL);
    pthread_detach(tid);
}

//子线程
void *tfn(void *arg)
{
    close(lfd);
	read(cfd);	
    upper();
    write(cfd);
    pthread_exit((void*)10);
}

read函数返回值

  1. 大于0 实际读到的字节数
  2. 等于0 已经读到结尾(对端已经关闭)【重点】
  3. -1 应该进一步判断errno的值
    1. errno= EAGAIN or EWOULDBLOCK：设置了非阻塞方式读。没有数据到达
    2. errno= EINTR 慢速系统调用被 中断
    3. errno= “其他情况” 异常。

select多路IO转接

  • 原理：借助内核，select来监听，客户端连接、数据通 信事件
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/**
 * 清空一个文件描述符集合
 * fd_set rset;
 * FD_ZERO(&rset);
**/
void FD_ZERO(fd_set *set);

/**
 * 将监听的文件描述符，添加到集合中
 * FD_SET(3,&rset);FD_SET(4,&rset);FD_SET(5,&rset);
**/
void FD_SET(int fd,fd_set*set);

/**
* 将一个文件描述符从监听集合中删除
* FD_CLR(4,&rset);
**/
void FD_CLR(int fd,fd_set *set);
		

/**
 * 判断一个文件描述符是否在监听集合中
 * FD_ISSET(4,&rset);
 * 返回值：在：1；不在：0;
**/
int FD_ISSET(int fd,fd_set *set);
		

/**
 * 判断一个文件描述符是否在监听集合中
 * nfds: 监听的所有文件描述符中，最大文件描述符+1
 * readfds:		读 	 文件描述符监听集合  传入传出参数
 * writefds: 	写 	 文件描述符监听集合	传入传出参数	NULL
 * exceptfds: 	异常  文件描述符监听集合	传入传出参数	NULL
 * timeout:	>0: 	设置监听超时时长
 			NULL: 	阻塞监听
 			0:		非阻塞监听,轮询
 * 返回值:
 			>0:		所有监听 集合中，满足对应事件的总数。
 			 0:		没有满足监听条件的文件描述符
 			-1:		errno
**/
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

思路分析：

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lfd = socket();  					//创建套接字
bind();								//绑定地址结构
listen();							//设置监听上限

fd_set rset,allset;					//创建r监听集合					
FD_ZERO(&allset);					//将监听r集合清空
FD_SET(lfd,&allset);				//将lfd添加至读集合中

while(1)
{
    rset = allset;					//保存监听集合
    ret = select(lfd+1,&rset,NULL,NULL,NULL); //监听文件描述符集合对应事件
    if(ret>0){						//有监听的描述符满足对应事件
        if(FD_ISSET(lfd,&rset))
        {
            cfd = accept();			//建立连接，返回用于通信的文件描述符
            FD_SET(cfd,&allset);	//添加到监听通信描述符集合中
        }
        for(i=lfd+1;i<=最大文件描述符;i++)
        {
            FD_ISSET(i,&rset);
            read();
            小---大
            write();
        }
	}   
}

-------------THE END-------------

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