Linux 网络编程

概述

Linux 网络编程是通过套接字（Socket）API 实现进程间网络通信的编程方式。在 Linux 中一切皆文件，套接字也是一种使用标准文件描述符与其他程序通信的方式。掌握网络编程是理解客户端/服务器架构、协议栈工作原理的基础

核心概念

• 套接字：网络通信的端点，本质上是一个文件描述符。
• 数据封装：数据从应用层向下传递时，会被逐层包裹头部（如 TFTP [\to] UDP [\to] IP [\to] Ethernet），接收端则逐层拆包
• 流式套接字：基于 TCP 协议，提供可靠、双向、按序且无差错的数据传输
• 数据报套接字：基于 UDP 协议，无连接。数据可能失序或丢失，但如果到达则是无差错的

详细内容

字节序转换

当把一个两字节的十六进制数（如 0xb34f）存入内存时：

• 大端序：按顺序存储为 b3 然后是 4f，即高位存入低地址。这被规定为网络字节序
• 小端序：反向存储为 4f 然后是 b3，即低位存入低地址。这是大多数 Intel 处理器的存储方式，称为主机字节序

在数据发出前需转成网络序，在数据收到后需转成主机序。Linux 提供了转换函数：

函数	全称	作用
htons()	Host to Network Short	将端口号（2 字节）从主机序转为网络序
htonl()	Host to Network Long	将 IPv4 地址（4 字节）从主机序转为网络序
ntohs()	Network to Host Short	将收到的端口号转回主机序
ntohl()	Network to Host Long	将收到的 IPv4 地址转回主机序

地址转换

人的视角习惯看“点分十进制”字符串（如 192.0.2.1）或 IPv6 的“十六进制冒号”字符串，但内核需要的是二进制格式，因此需要使用支持 IPv4 和 IPv6 的现代函数进行地址转换。

inet_pton() – 将 IP 字符串转换为二进制结构体：

struct sockaddr_in sa;
inet_pton(AF_INET, "192.0.2.1", &(sa.sin_addr));

inet_ntop() – 将二进制结构体转换为可读字符串：

char ip4[INET_ADDRSTRLEN];
struct sockaddr_in sa;
inet_ntop(AF_INET, &(sa.sin_addr), ip4, INET_ADDRSTRLEN);

关键数据结构

结构体	适用版本	主要用途
addrinfo	通用	调用 getaddrinfo 时使用，用于管理地址链表
sockaddr	通用	系统调用函数的通用参数模板
sockaddr_in	IPv4	存储 IPv4 端口和地址
sockaddr_in6	IPv6	存储 IPv6 端口和地址
sockaddr_storage	通用	作为足够大的缓冲区，接收未知的地址信息

struct addrinfo

• 设计目的：用于主机名/服务查找（DNS）及准备后续使用的地址结构
• 核心特点：它是一个链表结构，getaddrinfo() 可能返回多个结果供选择
• 主要字段：
  • ai_family：地址族（AF_INET / AF_INET6 / AF_UNSPEC）
  • ai_socktype：套接字类型（SOCK_STREAM / SOCK_DGRAM）
  • ai_addr：指向 struct sockaddr 的指针
  • ai_next：指向链表中下一个节点的指针

struct sockaddr

• 设计目的：作为通用模板，处理多种不同类型的套接字地址
• 核心特点：手动填充这个结构体非常麻烦（sa_data 包含 14 字节混合数据），通常填充具体的 IPv4/IPv6 结构体再进行强制类型转换
• 主要字段：
  • sa_family：地址族
  • sa_data：包含目的地址和端口号的原始数据

struct sockaddr_in

• 设计目的：专门为 IPv4 设计的地址结构体，可安全地强制转换为 struct sockaddr
• 主要字段：
  • sin_family：必须设为 AF_INET
  • sin_port：端口号，必须使用 htons() 转换为网络字节序
  • sin_addr：struct in_addr，内部包含一个 32 位的 IP 地址（s_addr）
  • sin_zero：填充字段，必须用 memset() 置零

struct sockaddr_in6

• 设计目的：专门为 IPv6 设计的地址结构体，可安全地强制转换为 struct sockaddr
• 主要字段：
  • sin6_family：设为 AF_INET6
  • sin6_port：端口号，必须使用 htons() 转换为网络字节序
  • sin6_addr：struct in6_addr，内部包含一个 16 字节（128 位）的地址数组

struct sockaddr_storage

• 设计目的：当不知道即将到来的连接是 IPv4 还是 IPv6 时使用，空间足够大，可容纳任何一种结构体
• 典型用法：在调用 accept() 或 recvfrom() 时传入，通过检查 ss_family 字段判断实际地址族，然后强制转换为 sockaddr_in 或 sockaddr_in6 提取数据

核心系统调用

角色	典型调用顺序
流式服务器（TCP）	getaddrinfo -> socket -> bind -> listen -> accept -> recv/send -> close
流式客户端（TCP）	getaddrinfo -> socket -> connect -> send/recv -> close
数据报服务器（UDP）	getaddrinfo -> socket -> bind -> recvfrom/sendto -> close
数据报客户端（UDP）	getaddrinfo -> socket -> sendto/recvfrom -> close

准备阶段：配置与初始化

1. getaddrinfo()：进行域名（或 IP）和服务的查找，返回一个包含地址信息的链表

   • node：主机名或 IP 地址（使用主机名时内核会启动 DNS 查找）
   • service：端口号或服务名（如 “http”，内核会查阅 /etc/services 映射为端口号）
   • hints：addrinfo 结构体，用于筛选返回结果
   • 注意：必须调用 freeaddrinfo() 释放分配的链表空间

2. socket()：创建一个套接字端点，返回一个文件描述符

   • domain：协议族（如 PF_INET 或 PF_INET6）
   • type：套接字类型（SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM）
   • protocol：通常设为 0 以自动匹配类型
   • 推荐直接使用 getaddrinfo() 返回的结果来填充参数

建立阶段：绑定与连接

3. bind()：将套接字与本地机器的某个 IP 和端口关联。这通常是服务器程序必须做的第一步，以便内核将入站包匹配到特定进程

   • 如果重启服务器时报错 “Address already in use”，可使用 setsockopt() 设置 SO_REUSEADDR

4. connect()：客户端通过此调用连接到远程服务器。如果客户端没有先调用 bind()，内核会自动选择未使用的本地端口

5. listen()：告诉内核该套接字将用于接收连接

   • backlog：指定入站连接队列的长度

6. accept()：从监听队列中提取第一个挂起的连接，返回一个全新的文件描述符用于通信，原始的监听套接字继续保持监听状态

通信阶段：数据交换

7. send() / recv()（TCP）

   • send() 返回实际发送的字节数，可能小于请求发送的长度，需自行处理剩余数据
   • recv() 返回读取的字节数，返回 0 表示远程端已关闭连接

8. sendto() / recvfrom()（UDP）

   • 由于 UDP 是无连接的，每次发送数据都必须携带目的地址信息
   • 如果对 UDP 套接字调用了 connect()，也可以转用 send() 和 recv()

退出阶段：清理与识别

9. close() / shutdown()

   • close()：防止进一步的读写并释放文件描述符
   • shutdown()：允许只切断“发送”或“接收”方向的通信，而不立刻释放描述符

10. getpeername()：获取连接另一端的 IP 地址和端口号

实践示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

// 使用 getaddrinfo 解析地址
int main(void) {
    struct addrinfo hints, *res, *p;
    int status;
    char ipstr[INET6_ADDRSTRLEN];

    memset(&hints, 0, sizeof hints);
    hints.ai_family = AF_UNSPEC;      // IPv4 或 IPv6 均可
    hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;  // TCP

    if ((status = getaddrinfo("www.example.com", "80", &hints, &res)) != 0) {
        fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(status));
        return 1;
    }

    for (p = res; p != NULL; p = p->ai_next) {
        void *addr;
        if (p->ai_family == AF_INET) {
            struct sockaddr_in *ipv4 = (struct sockaddr_in *)p->ai_addr;
            addr = &(ipv4->sin_addr);
        } else {
            struct sockaddr_in6 *ipv6 = (struct sockaddr_in6 *)p->ai_addr;
            addr = &(ipv6->sin6_addr);
        }
        inet_ntop(p->ai_family, addr, ipstr, sizeof ipstr);
        printf("  %s\n", ipstr);
    }

    freeaddrinfo(res);
    return 0;
}

参考资料

• Beej’s Guide to Network Programming
• Linux man pages - socket(2)
• Linux man pages - getaddrinfo(3)