网络编程

所有的网络应用都是基于相同的基本编程模型，有着相似的整体逻辑结构，并且依赖相同的编程接口。

客户端-服务器编程模型

每个网络应用都是基于 客户端-服务器模型 的。这个模型中的基本操作是事务（这个事务不是数据库事务，没有数据库事务的任何特性）。

认识到客户端和服务器是进程，而不是常常提到的机器或者主机，这是很重要的。一台主机可以同时运行许多不同的客户端和服务器，而且一个客户端和服务器的事务可以在同一台或是不同的主机上运行。无论客户端和服务器是怎样映射到主机上的，客户端-服务器模型是相同的。

网络

对于一个主机而言，网络只是又一种 I/O 设备，作为数据源和数据接收方。

对于物理上而言，网络是一个按照地理远近组成的层次系统。最低层是LAN(Local Area Network,局域网):在一个建筑或校园范围内。迄今为止，最流行的LAN技术是以网(Ethernet)。

一个以太网段(Ethernet segment)包括一些电缆(通常是双绞线)和一个叫做集线器的小盒子。集线器不加分辨地将从一个端口收到的每个位复制到其他所有端口上。因此每台主机都能看到每个位。

使用一些电缆和叫做网桥(bridge)的小盒子，多个以太网段可以连接成较大的局域网，称为桥接以太网(bridged Ethernet)。

在层次的更高级别，多个不兼容的局域网可以通过叫做路由器(router)的特殊计算机连接起来，组成一个internet(互联网络)。

互联网至关重要的特性是:它能由采用完全不同和不兼容技术的各种局域网和广域网组成。

全球IP因特网

IP地址
因特网域名
因特网连接

套接字接口

服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

socket()函数

int socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd

sockfd是描述符。

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

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

函数的三个参数分别为：

sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
addrlen：对应的是地址的长度。
addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是：

/* Generic socket address structure (for connect, bind, and accept) */
struct sockaddr {
unsigned short sa_family; /* Protocol family */
char sa_data[14]; /* Address data. */
};

/* Internet-style socket address structure */
struct sockaddr_in {
unsigned short sin_family; /*Address family (always AF_INET) */
unsigned short sin_port; /*Port number in network byte order */
struct in_addr sin_addr; /*IP address in network byte order */
unsigned char sin_zero[8]; /*Pad to sizeof(struct sockaddr) */
};

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来连接服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

网络字节序与主机字节序

主机字节序 :就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：

　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

网络字节序 ：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。

所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

listen()、connect()函数

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

int listen(int sockfd, int backlog);

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

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd

sockfd
参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。
addr
这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。
len
如同大家所认为的，它也是结果的参数，用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。

如果accept成功返回，则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。
注意：
accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是连接套接字。此时我们需要区分两种套接字，

监听套接字 : 监听套接字正如accept的参数sockfd，它是监听套接字，在调用listen函数之后，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字(监听套接字)

连接套接字 ：一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字；而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字)，它代表着一个网络已经存在的点点连接。

一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

自然要问的是：为什么要有两种套接字？原因很简单，如果使用一个描述字的话，那么它的功能太多，使得使用很不直观，同时在内核确实产生了一个这样的新的描述字。

read()、write()等函数

可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的n字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

close()函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

1 2	#include <unistd.h> int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

echo 示例

下面，给出一个简单的示例，代码如下：
server.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    char str[100];
    int listen_fd, comm_fd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    bzero( &servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(22000);
    bind(listen_fd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr));
    listen(listen_fd, 10);
    comm_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*) NULL, NULL);
    while(1)
    {
       　bzero( str, 100);
        read(comm_fd,str,100);
        printf("Echoing back - %s",str);
        write(comm_fd, str, strlen(str)+1);
    }
}

client.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include<string.h>
int main(int argc,char **argv)
{
    int sockfd,n;
    char sendline[100];
    char recvline[100];
    struct sockaddr_in servaddr;
    sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    bzero(&servaddr,sizeof servaddr);
    servaddr.sin_family=AF_INET;
    servaddr.sin_port=htons(22000);
    inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&(servaddr.sin_addr));
    connect(sockfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr));
    while(1)
    {
        bzero( sendline, 100);
        bzero( recvline, 100);
        fgets(sendline,100,stdin); /*stdin = 0 , for standard input */
        write(sockfd,sendline,strlen(sendline)+1);
        read(sockfd,recvline,100);
        printf("%s",recvline);
    }
}

服务器实现的功能是接受来自客户端发来的文本，并将文本再次发送给客户端。

网络编程的内容先介绍到这里，在后面，将会有一篇文章介绍web服务器的相关内容。

参考资料：

《深入理解计算机系统》
csdn 真实的归宿

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