Ting-Jun (snsd0805)

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Developer. Student

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[筆記]Linux環境用c++建立Socket連線
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May 27, 2019

跟指導老師聊到學校伺服器的配置管理
然後就問他伺服器之間的通訊協定
聊完覺得對通訊這部份有興趣，所以就打算寫寫看Socket
其實以前有用php玩過Socket連線
當時是想用php收Arduino的訊號儲存到資料庫
但是當時對Socket完全沒有概念，純粹只有找實作方法
但是最後還是沒有實作出來，這次打算先簡單用c++實作簡單的TCP/IP連線

第一次寫筆記型式的文章，想先強調幾點給有點進來的朋友

  1. 不保證所有資料全部正確，因為我的資料來源除了原文書籍、中文書籍，也有一些中英文非官方的網路文章。
  2. 筆記純粹給自己看，所以文字省略傳統邏輯、簡略，可能跳這跳那的


  3. 本次參考網頁：
    ITREAD01網頁 C++ Socket學習筆記
    LinuxHowtos Sockets Tutorial
    楊凱州github網頁 TCP Socket 學習筆記 Programming0
    鳥哥的 Linux 私房菜
  4. 本次參考書籍：
    Linux Socket Programming by Example ,(Warren Gay,2000/04/01)
    UNIX Network Programming (W. Richard Stevens,1998/01/15)

套接字(Socket)

Socket概念

Socket是對TCP/IP的封裝及應用
其本身不是協議，而是一個調用接口(API)
可支援不同的傳輸層協議（TCP或UDP）

應用層的資料傳輸需要網路層的TCP連線，其需要在相對應的同一TCP Port
而為了區別各個不同的TCP連線，作業系統為TCP/IP提供Socket介面

而Socket即所謂長連線（http屬於短連線），一旦client & server建立起連線將不會主動斷掉
除環境因素可能影響連線：防火牆、任何方主機死機、網路斷線…等

建立Socket連線

建立Socket連線至少需一對套接字，分別為ClientSocket及ServerSocket
建立連線過程分為三步驟：

  1. 伺服器監聽：
    ServerSocket不定位特定的具體ClientSocket，而是處於等待連線狀態
  2. 客戶端請求：
    ClientSocket提出連線請求，目標為ServerSocket(指向ip + TCP port)
  3. 連線確認：
    ServerSocket收到連線請求，建立執行序發送套接字描述，建立連線

OSI 網路模型

全名為開放式系統互連通訊參考模型（Open System Interconnection Refereance Model, OSI）
國際化標準組織（ISO）制定網路電腦互連的標準

分層

  • 第一層：實體層(Physical Layer)
    傳遞0,1訊號
    ex: hub, RJ45網路線
  • 第二層：資料鏈結層(Data-Link Layer)
    分兩部份：
    1. 邏輯連結控制（Logical Link Control, LLC）：訊框(Frame)傳遞、流程控制
    2. 媒介存取控制（Media Access Control ,MAC）: 定義傳輸媒體存取方式
      ex: 交換器
      ※ 訊框(Frame)：封裝數位訊號成一組資料，其為資料訊框(Data Frame)
  • 第三層：網路層(Network Layer)
    定義網路路徑及定址，以IP協定為基礎
    觀念：IP Address+data=Packet
    ex: ADSL小烏龜、路由器
  • 第四層：傳輸層(Transport Layer)
    負責資料傳輸及控制，即處理封包順序、流量、偵錯
    ex: TCP、UDP
  • 第五層：會議層(Session Layer)
    管理、設定通訊連接 ex: SQL
  • 第六層：表達層(Presentation Layer) 將資料轉換為receiver可接受的格式，處理轉碼、加解密等
  • 第七層：應用層(Application Layer) 處理應用程式，提供使用者網路服務
    ex: 常用通訊協定：DHCP、FTP、HTTP
    ex: 應用軟體：瀏覽器


    待學習Keyword: DHCP,Switch,Router,PPP

電腦網路通訊協定 TCP/IP

觀念

封包格式為連接導向的TCP或非連接導向的UDP
並且儲存含IP的表頭，並傳送Packet

※TCP: 完整協定，包含完整的連線過程：連線、傳送、結束
※UDP: 未建立完整連線即傳送封包

TCP補充觀念：TCP兩端的host透過連線來確保封包的傳遞，並且跟中間任何的router等等結點(node)無任何關聯

TCP的三向交握

目的： 建立可靠的連線
順序：

  1. 封包發起：
    客戶端想要對伺服端連線時，必須送出連線封包。
    隨機使用1個大於1024的port，並在TCP表頭當中帶有SYN的主動連線，並記下發給伺服端的序號(Sequence number = 10001)
  2. 封包接收與確認封包傳送
    伺服器接到這個封包，並且確定要接收這個封包後，就會開始製作一個同時帶有 SYN=1, ACK=1 的封包
    其中那個 acknowledge 的號碼是要給 client 端確認用的，所以該數字會比(A 步驟)裡面的 Sequence 號碼多一號 (ack = 10001+1 = 10002)
    那我們伺服器也必須要確認用戶端確實可以接收我們的封包才行，所以也會發送出一個 Sequence (seq=20001) 給用戶端，並且開始等待回應
  3. 回送確認封包
    用戶端收到來自伺服器端的 ACK 數字後 (10002) 就能夠確認之前那個要求封包被正確的收受
    接下來如果用戶端也同意與伺服器端建立連線時，就會再次的發送一個確認封包 (ACK=1) 給伺服器，亦即是 acknowledge = 20001+1 = 20002
  4. 最後確認
    伺服器端收到帶有 ACK=1 且 ack=20002 序號的封包後，就能夠建立起這次的連線

Linux環境下c++時實作socket連線

該段參考部份楊凱州github網頁 TCP Socket 學習筆記 Programming0之程式碼

socket()函數

使用socket(int ,int ,int )在kernel中建立一個socket，並傳回該socket的檔案描述符

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

Domain

domain定義socket要在哪個領域溝通，以下列常用

 * （1）AF_INET         IPv4因特網域 （兩台主機透過網路進行資料傳輸）
 * （2）AF_INET6        IPv6因特網域 （兩台主機透過網路進行資料傳輸）
 * （3）AF_UNIX         Unix域 （程序與程序間的傳輸）

Type

定義socket傳輸手段，以下列常用

* （1）SOCK_STREAM     序列化的連接導向通訊。對應的protocol為TCP。
* （2）SOCK_DGRAM      提供的是一個一個的資料包(datagram)。對應的protocol為UDP

Protocol

設定socket的協定標準，一般來說都會設為0，讓kernel選擇type對應的默認協議。

Socket()函數回傳值Return Value

成功產生socket時，會返回該socket的檔案描述符(socket file descriptor)
我們可以透過它來操作socket。若socket創建失敗則會回傳-1，

//建立一個socket
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
using namespace std;

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

    if (sockfd== -1){
        cout<<"Fail to create a socket.";
    }

    return 0;
}

connect()函數

處理網路服務時，如TCP，ClientSocket需與ServerSocket建立連接
TCP Client可以connect()函式與Server端建立連結

    int connect(int sockfd, struct sockaddr_in  *server, int addr_len);

sockfd

sockfd即socket()函數之回傳值，為socket的描述符

 * （1）AF_INET         IPv4因特網域 （兩台主機透過網路進行資料傳輸）
 * （2）AF_INET6        IPv6因特網域 （兩台主機透過網路進行資料傳輸）
 * （3）AF_UNIX         Unix域 （程序與程序間的傳輸）

server

關於這個socket的所有信息
netinet/in.h已經為我們定義好了一個struct sockaddr_in來儲存這些資訊

 // IPv4 AF_INET sockets:
// IPv6參見 sockaddr_in6
struct sockaddr_in {
    short            sin_family;   // AF_INET
    unsigned short   sin_port;     // 儲存port number
    struct in_addr   sin_addr; 
    char             sin_zero[8];  // Not used, must be zero
};

struct in_addr {
    unsigned long s_addr;          // load with inet_pton()
};


以下為設定

struct sockaddr_in info;

bzero(&info,sizeof(info));	//初始化 將struct涵蓋的bits設為0
info.sin_family = PF_INET;	//sockaddr_in為Ipv4結構

info.sin_addr.s_addr = inet_addr("123.123.13.12");	//IP address

info.sin_port = htons(8080);

PF_INET ?

AF = Address Family
PF = Protocol Family
AF_INET = PF_INET
理論上建立socket時是指定協議，應該用PF_xxxx，設置地址時應該用AF_xxxx，但混用不會有太大問題

inet_addr?

一般163.23.148.100這種ip地址為ASCII表示法
用inet_addr轉為整數型式ip，其為binary data

hton ?

網路端的字節序與本機端的字節序可能不一致 網路端總是用Big endian，而本機端卻要視處理器體系而定，使用的是Little endian。 htons()就是Host TO Network Short integer的縮寫，它將本機端的字節序(endian)轉換成了網路端的字節序

addr_len

就是*server的大小

Return value

成功回傳0，失敗傳-1