网络通信及相关函数介绍

1. 网络通信概述

1.1 IP和端口

所有的数据传输，都有三个要素 ：源、目的、长度

所以，在网络传输中需要使用“IP和端口”来表示源或目的。

1.2 网络传输中的2个对象：server和client

 我们经常访问网站，这涉及2个对象：网站服务器，浏览器。网站服务器平时安静地呆着，浏览器主动发起数据请求。网站服务器、浏览器可以抽象成2个软件的概念：server程序、client程序。
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1.3 两种传输方式：TCP/UDP

 在一般情况下，网络协议被分为5层，如下图所示：
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 应用层：它是体系结构中的最高层，直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务。在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传送的FTP协议，DNS，POP3，SNMP，Telnet等等，我们的应用程序位于“应用层”。

运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。
运输层主要使用以下两种协议：
(1) 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。
(2) 用户数据包协议UDP(User Datagram Protocol)：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。
网络层：负责将被称为数据包（datagram）的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。
链路层：因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。
物理层：在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。

使用“运输层”时，可以选择TCP协议，也可以选择UDP协议。

1. TCP和UDP 原理上的区别
   TCP向它的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务有2个特点：可靠传输、流量控制（即发送方/接收方速率匹配）。它包括了应用层报文划分为短报文，并提供拥塞控制机制。
   UDP协议向它的应用程序提供无连接服务。它没有可靠性，没有流量控制，也没有拥塞控制。
2. 为何存在UDP协议
   既然TCP提供了可靠数据传输服务，而UDP不能提供，那么TCP是否总是首选呢？
   答案是否定的，因为有许多应用更适合用UDP，举个例子：视频通话时，使用UDP，偶尔的丢包、偶尔的花屏时可以忍受的；如果使用TCP，每个数据包都要确保可靠传输，当它出错时就重传，这会导致后续的数据包被阻滞，视频效果反而不好。
   使用UDP时，有如下特点：
   a. 关于何时发送什么数据控制的更为精细
   采用UDP时只要应用进程将数据传递给UDP，UDP就会立即将其传递给网络层。而TCP有重传机制，而不管可靠交付需要多长时间。但是实时应用通常不希望过分的延迟报文段的传送，且能容忍一部分数据丢失。
   b. 无需建立连接，不会引入建立连接时的延迟。
   c. 无连接状态，能支持更多的活跃客户。
   d. 分组首部开销较小。
3. TCP/UDP网络通信大概交互图
   
   

1.2 网络编程主要函数介绍

1.2.1 socket函数

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

此函数用于创建一个套接字。
domain是网络程序所在的主机采用的通讯协族(AF_UNIX和AF_INET等)。
AF_UNIX只能够用于单一的Unix 系统进程间通信，而AF_INET是针对Internet的，因而可以允许远程通信使用。

type是网络程序所采用的通讯协议(SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM等)。
SOCK_STREAM表明用的是TCP 协议，这样会提供按顺序的，可靠，双向，面向连接的比特流。
SOCK_DGRAM 表明用的是UDP协议，这样只会提不可靠，无连接的通信。

关于protocol，由于指定了type，所以这个地方一般只要用0来代替就可以了。
此函数执行成功时返回文件描述符，失败时返回-1,看errno可知道出错的详细情况。

1.2.2 bind函数

int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

从函数用于将地址绑定到一个套接字。
sockfd是由socket函数调用返回的文件描述符。
my_addr是一个指向sockaddr的指针。
addrlen是sockaddr结构的长度。

sockaddr的定义：
struct sockaddr{
unisgned short as_family;
char sa_data[14];
};

不过由于系统的兼容性,我们一般使用另外一个结构(struct sockaddr_in) 来代替。

sockaddr_in的定义：
struct sockaddr_in{
unsigned short sin_family;
unsigned short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
unsigned char sin_zero[8];
}

如果使用Internet所以sin_family一般为AF_INET。
sin_addr设置为INADDR_ANY表示可以和任何的主机通信。
sin_port是要监听的端口号。
bind将本地的端口同socket返回的文件描述符捆绑在一起.成功是返回0,失败的情况和socket一样。

1.2.3 listen函数

int listen(int sockfd,int backlog);

此函数宣告服务器可以接受连接请求。
sockfd是bind后的文件描述符。
backlog设置请求排队的最大长度。当有多个客户端程序和服务端相连时，使用这个表示可以介绍的排队长度。
listen函数将bind的文件描述符变为监听套接字，返回的情况和bind一样。

1.2.4 accept函数

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

服务器使用此函数获得连接请求，并且建立连接。
sockfd是listen后的文件描述符。
addr，addrlen是用来给客户端的程序填写的,服务器端只要传递指针就可以了， bind,listen和accept是服务器端用的函数。
accept调用时，服务器端的程序会一直阻塞到有一个客户程序发出了连接。 accept成功时返回最后的服务器端的文件描述符，这个时候服务器端可以向该描述符写信息了，失败时返回-1 。

1.2.5 connect函数

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);

可以用connect建立一个连接，在connect中所指定的地址是想与之通信的服务器的地址。
sockfd是socket函数返回的文件描述符。
serv_addr储存了服务器端的连接信息，其中sin_add是服务端的地址。
addrlen是serv_addr的长度
connect函数是客户端用来同服务端连接的.成功时返回0，sockfd是同服务端通讯的文件描述符，失败时返回-1。

1.2.6 send函数

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

sockfd 指定发送端套接字描述符；
buf 指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；
len 指明实际要发送的数据的字节数；
flags 一般置0。
客户或者服务器应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据

1.2.7 recv函数

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

sockfd 指定接收端套接字描述符；
buf 指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放recv函数接收到的数据；
len 指明buf的长度；
flags 一般置0。
客户或者服务器应用程序都用recv函数从TCP连接的另一端接收数据。

1.2.8 recvfrom函数

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

recvfrom通常用于无连接套接字，因为此函数可以获得发送者的地址。
src_addr 是一个struct sockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。
addrlen 常置为sizeof （struct sockaddr）。

1.2.9 sendto函数

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

sendto和send相似，区别在于sendto允许在无连接的套接字上指定一个目标地址。
dest_addr 表示目地机的IP地址和端口号信息，
addrlen 常常被赋值为sizeof （struct sockaddr）。
sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。

1.3 网络编程一般步骤

1.3.1 对于tcp连接

1.服务器端1）创建套接字socket；2）绑定端口号bind；3）监听连接listen；4）接受连接请求accept，并返回新的套接字；5）用新返回的套接字recv/send；6）关闭套接字。
2.客户端1）创建套接字socket; 2）发起建立连接请求connect; 3）发送/接收数据send/recv；4）关闭套接字。

TCP总结：
Server端：socket-- bind – listen-- accept-- recv/send-- close
Client端：connect------- conncet------send/recv------close.

1.3.1 对于udp连接

1.服务器端:1）创建套接字socket；2）绑定端口号bind；3）接收/发送消息recvfrom/sendto；4）关闭套接字。
2.客户端:1）创建套接字socket；2）发送/接收消息sendto/recvfrom；3）关闭套接字.

UDP总结:
Server端：socket----bind ----recvfrom/sendto----close
Client端：connect---- sendto/recvfrom----close.
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网络编程的一般步骤