Linux网络编程：客户端/服务器的简单实现

2022-01-30 22:03:18

一、 Socket的基本知识

1. socket功能

Socket层次

Socket实质上提供了进程通信的端点，进程通信之前，双方必须首先各自创建一个端点，否则是没有办法建立联系并相互通信的。

每一个Socket都一个半相关描述：

{协议，本地地址，本地端口}

完整的Socket的描述：

{协议，本地地址，本地端口，远程地址，远程端口}

2. Socket工作流程

面向连接(TCP)的Socket工作流程

UDP的socket工作流程

l 服务器端

首先，服务器应用程序用系统调用socket()来创建一个socket，它是系统分配给该服务器进程的类似文件描述符的资源，不能与其他进程共享。

接下来，需要给socket绑定，本地socket绑定的是Linux文件系统中的文件名，一般放在/tmp或者/usr/tmp目录中。对于网络socket，要和客户连接的特定网络相关的服务标示符（端口号或者访问点）。可以使用系统调用bind()来绑定socket，然后服务器进程就用listen()创建一个队列将客户的连接存入队列，再使用accept()接收客户的连接。

服务器调用accept()时会创建一个和原有的socket不同的新socket。这个新socket只用于与这个特定的客户进行通信，而原socket保留下来继续处理来自其他客户的连接。

l 客户端

客户端是首先调用socket()创建一个未绑定的socket，然后将服务器的socket作为一个地址调用connect()与服务器建立连接。

3. 套接字属性

l 套接字的域(domain)

l 套接字的类型(type)

套接字有三种类型：流式套接字(SOCK_STREAM)，数据报套接字(SOCK_DGRAM)及原始套接字。

流式套接字(SOCK_STREAM)

流式的套接字可以提供可靠的、面向连接的通讯流。如果你通过流式套接字发送顺序的数据：“1”、“2”，那么数据到达的顺序也是“1”、“2”。流式套接字在AF_INET域中使用TCP协议来保证数据传输的正确性及顺序性。TCP是TCP/IP协议的前半部分，IP只处理网络路由。

数据报套接字(SOCK_DGRAM)

数据报协议定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠，无差错。它使用UDP/IP协议。UDP将数据打包，贴上IP地址，然后发送。这个过程不需要建立连接。

原始套接字

原始套接字主要用于一些协议的开发，可以进行比较底层的操作。它功能强大，但是没有流式套接字和数据报套接字使用方便，一般的程序也不涉及到原始套接字。

4. 套接字地址

AF_INET与AF_UNIX域的套接字地址结构不相同，分别为struct sockaddr_in, struct sockaddr_un。

l AF_INET地址结构

#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in

{

short int sin_family; /* AF_INET */

unsigned short int sin_port; /* Port Numbers*/

struct in_addr sin_addr; /* Internet Address */

}

IP地址结构in_add定义为：

struct in_addr

{

unsigned long int s_addr; /* IP地址是四个字节的一个32位值 */

}

l AF_UNIX地址结构

#include <sys/un.h>

struct sockaddr_un

{

sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */

char sun_path[]; /* pathname */

}

在当前的Linux系统中，由X/Open规范定义的类型sa_family_t在头文件sys/un.h中声明，它是短整数类型。另外sun_path指定的路径名长度也是有限制的（Linux规定的是108个字符）。

二、转换函数

1. 主机字节序和网络字节序

因为每一个机器内部对变量的字节存储顺序不同（有的系统是高位在前，低位在后，有的系统是的低位在前，高位在后），而网络传输的字节序需要统一。所以，对于主机字节序和网络字节序不同的机器，就一定要对数据进行转换（例如IP地址的表示和端口号的表示）。如果主机字节序和网络字节序相同，也要调用转换函数，真正转换还是不转换由系统函数自己决定。

转换函数：

#include <netinet/in.h>

unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong); /* host to network long */

unsigned short int htons(unsinged short int hostshort); /* host to network short */

unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong); /* network to host long */

unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort); /* network to host short */

这些函数将16位和32位整数在主机字节序和标准的网络字节序之间进行转换。“h”代表主机“host”，“n”代表网络“network”，“l”代表“long”，“s”代表“short”。

三、 socket系统调用

1. 创建套接字socket()

socket()系统调用创建一个套接字并返回一个描述符，该描述符可以用来访问该套接字。

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

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

创建的套接字是一条通信线路的一个端点，domain参数指定协议族，type参数指定这个套接字的通信类型，protocol参数指定使用的协议。

最常用的套接字域是AF_UNIX和AF_INET，前者用于通过UNIX和Linux文件系统实现的本地套接字，后者用于UNIX网络套接字。AF_INET套接字可以用于通过包括互联网在内的TCP/IP网络进行通信的程序。

参数type指定这个socket的通信类型，protocol参数指定使用的协议。通信所需的协议一般是由socket类型来决定，通常不需要进行选择。只有当需要选择的时候，才会用到protocol参数。将protocol参数设置为0表示使用默认协议。

socket返回一个描述符，类似于文件描述符。这个描述符可以用于read()，write()等系统调用来连接另一个socket。

实例：创建socket，AF_INET，SOCK_STREAM。

server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

2. 绑定socket

在调用socket()获得描述符之后，需要对该套接字进行绑定。AF_UNIX套接字会关联到一个文件系统的路径名，而AF_INET套接字会关联到一个IP端口号。

#include <sys/socket.h>

int bind(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);

bind将参数address中的地址分配给与文件描述符socket关联的未命名套接字。address_len传递地址结构体的长度。地址的长度取决于地址的类型。bind系统调用需要将struct sockaddr_in或struct sockaddr_un指针转换成struct sockaddr *类型。

bind在调用成功时返回0，失败是返回-1并设置errno。

EBADF	文件描述符无效
ENOTSOCK	文件描述符对应的不是一个socket
EINVAL	文件描述符对应的是一个已经绑定的socket
EADDRNOTAVAIL	地址不可用
EADDRINUSE	地址已经绑定了一个socket

表2 errno值

AF_UNIX还有一些错误代码

EACCESS	权限不足，不能创建文件系统中的路径名
ENOTDIR, ENAMETOOLONG	文件名不符合要求

表3 AF_UNIX部分errno值

实例：

bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, server_len);

3. 创建套接字队列

为了能够在套接字上接受进入的链接，服务器要建立一个队列来保存未处理的请求。

#include <sys/socket.h>

int listen(int socket, int backlog);

参数backlog设置队列中可以容纳的未处理连接的最大个数。超过这个数字后，剩下的连接会被拒绝。backlog常用值为5……

listen函数会在成功时返回0，失败时返回-1，错误代码包括EBADF,EINVAL和ENOTSOCK。

实例：

listen(server_sockfd, 5);

4. 接受连接

一旦服务器程序创建并绑定了socket之后，他就可以通过用accept()来等待客户建立对该socket的连接。

#inculde <sys/socket.h>

int accept(int socket, struct sockaddr *address, size_t *address_len);

accept只有当有客户程序尝试连接到由socket参数指定的socket上时才返回。accept将创建一个新socket来与该客户进行通信，将该socket描述符作为返回值。之后的读写动作都关联到该socket描述符上。

参数socket所关联的套接字必须首先已经被bind绑定，而且有listen为其分配连接队列。参数address表示客户的地址，如果不关心客户的地址值可设为空指针。

如果socket没有未处理的连接accept将阻塞直到队列中有未处理的连接。可以通过设置O_NONBLOCK来改变。实例：

int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);

fcntl(socket, F_SETFL, O_NONBLOCK | flags);

发生错误时，accept会返回-1。

5. 请求连接

客户程序通过与服务器监听套接字之间绑定的方法连接到服务器。

#include <sys/socket.h>

int connect(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);

参数socket指定的套接字将连接到参数address指定的服务器的socket上。

成功时，connect返回0，失败返回-1。

如果连接不能立刻建立，connect将阻塞到超时时间，超过超时时间连接将被放弃，连接失败。

6. 关闭socket

可以通过close()来终止服务器与客户端的socket连接。

#include <unistd.h>

int close(int socket);

7. 发送数据send()

send()同样可以发送数据，与write()不同的是，send()只能用于socket数据的发送。

#include <sys/socket.h>

int send(int socket, const void *buff, int len, int flags)

参数中，buff指向要发送的数据，len为要发送数据的长度， flags一般为0。

成功时send返回发送的字节数，失败返回-1。

8. 接收数据recv()

与send()相同，recv()也只能用于socket的数据发送。

#include <sys/socket.h>

int recv(int socket, void *buf, int len, unsigned int flags)

buf指向存放接收数据的缓冲区，len为数据长度，flags一般为0。

成功时recv()返回接收的字节数，失败时返回-1。

发送数据sendto()

sendto需要带上发送目的地的地址信息，可以用于UDP通讯的实现，TCP中也可以使用sendto()。

#include <sys/socket.h>

int sendto(int socket, const void *buff, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *addr_to, int addr_len)

buff指向要发送的数据，len为要发送的数据的长度，flags一般为0，addr_to携带发送目的IP的信息，addr_len是地址信息的长度。

成功时，sendto返回发送的字节数，失败返回-1。

接收数据recvfrom()

recvfrom()与sendto配套使用，实现数据的收发。

#include <sys/socket.h>

int recvfrom(int socket, const void *buff, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *addr_from, int addr_len)

buff指向接收数据的缓冲区，len为数据长度，flags一般为0， addr_from存放数据来源的IP地址，addr_len为地址信息的长度。

recvfrom成功时返回接收的字节数，失败返回-1。

四、阻塞

connect()，recv()都是阻塞性函数，当需求的资源没有准备好的时候，调用函数的进程将进入休眠状态，这样就无法处理I/O多路复用的情况了。

解决这个问题的方法与普通的文件操作相同：使用fcntl()或者select()函数。相比较fcntl()，select()函数还可以设置等待时间，功能更为强大。

----<end>----

/*
TCP通信的基本步骤如下：
服务端：socket---bind---listen---while(1){---accept---recv---send---close---}---close
客户端：socket----------------------------------connect---send---recv-----------------close
头文件:
#include <sys/types.h>
　　　#include <sys/socket.h>
　　　#include <netinet/in.h>
　　　#include <arpa/inet.h>
　　　#include <unistd.h>
　　　#include <string.h>
　　　#include <stdio.h>
　　　#include <stdlib.h>

socket函数：生成一个套接口描述符
原型：int socket(int domain,int type,int protocol);
参数：domain{ AF_INET：Ipv4网络协议 AF_INET6：IPv6网络协议}
　　　type｛tcp：SOCK_STREAM udp：SOCK_DGRAM}
　　　protocol指定socket所使用的传输协议编号。通常为0.
　　　返回值：成功则返回套接口描述符，失败返回-1。
　　　常用实例：
int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
　　 if(sfd == -1)
{
perror("socket");
exit(-1);
}

bind函数：用来绑定一个端口号和IP地址，使套接口与指定的端口号和IP地址相关联。
原型：int bind(int sockfd,struct sockaddr * my_addr,int addrlen);
参数：sockfd为前面socket的返回值。
　　　my_addr为结构体指针变量
对于不同的socket domain定义了一个通用的数据结构
struct sockaddr //此结构体不常用
{
unsigned short int sa_family; //调用socket（）时的domain参数，即AF_INET值。
char sa_data[14]; //最多使用14个字符长度
};
此sockaddr结构会因使用不同的socket domain而有不同结构定义，
例如使用AF_INET domain，其socketaddr结构定义便为
struct sockaddr_in //常用的结构体
{
unsigned short int sin_family; //即为sa_family AF_INET
uint16_t sin_port; //为使用的port编号
struct in_addr sin_addr; //为IP 地址
unsigned char sin_zero[8]; //未使用
};
struct in_addr
{
uint32_t s_addr;
};
addrlensockaddr的结构体长度。通常是计算sizeof(struct sockaddr);
返回值：成功则返回0，失败返回-1
常用实例：
struct sockaddr_in my_addr; //定义结构体变量
memset(&my_addr, 0, sizeof(struct sockaddr)); //将结构体清空
//或bzero(&my_addr, sizeof(struct sockaddr));
my_addr.sin_family = AF_INET; //表示采用Ipv4网络协议
my_addr.sin_port = htons(8888); //表示端口号为8888，通常是大于1024的一个值。
//htons()用来将参数指定的16位hostshort转换成网络字符顺序
my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.101");
// inet_addr()用来将IP地址字符串转换成网络所使用的二进制数字，如果为INADDR_ANY，这表示服务器自动填充本机IP地址。
if(bind(sfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(struct socketaddr)) == -1)
{
perror("bind");
close(sfd);
exit(-1);
}
（注：通过将my_addr.sin_port置为0，函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用。
同样，通过将my_addr.sin_addr.s_addr置为INADDR_ANY，系统会自动填入本机IP地址。）

listen函数：使服务器的这个端口和IP处于监听状态，等待网络中某一客户机的连接请求。如果客户端有连接请求，端口就会接受这个连接。
原型：int listen(int sockfd, int backlog);
参数：sockfd为前面socket的返回值.即sfd
backlog指定同时能处理的最大连接要求，通常为10或者5。最大值可设至128
返回值：成功则返回0，失败返回-1
常用实例：
if(listen(sfd, 10) == -1)
{
perror("listen");
close(sfd);
exit(-1);
}

accept函数：接受远程计算机的连接请求，建立起与客户机之间的通信连接。
服务器处于监听状态时，如果某时刻获得客户机的连接请求，此时并不是立即处理这个请求，
而是将这个请求放在等待队列中，当系统空闲时再处理客户机的连接请求。当accept函数接受一个连接时，
会返回一个新的socket标识符，以后的数据传输和读取就要通过这个新的socket编号来处理，原来参数中的socket也可以继续使用，
继续监听其它客户机的连接请求。
（类似于移动营业厅，如果有客户打电话给10086，此时服务器就会请求连接，处理一些事务之后，就通知一个话务员接听客户的电话，
也就是说，后面的所有操作，此时已经于服务器没有关系，而是话务员跟客户的交流。对应过来，客户请求连接我们的服务器，
我们服务器先做了一些绑定和监听等等操作之后，如果允许连接，则调用accept函数产生一个新的套接字，
然后用这个新的套接字跟我们的客户进行收发数据。也就是说，服务器跟一个客户端连接成功，会有两个套接字。）
原型：int accept(int s,struct sockaddr * addr,int * addrlen);
参数：
s为前面socket的返回值.即sfd
addr为结构体指针变量，和bind的结构体是同种类型的，系统会把远程主机的信息（远程主机的地址和端口号信息）保存到这个指针所指的结构体中。
addrlen表示结构体的长度，为整型指针
返回值：成功则返回新的socket处理代码new_fd，失败返回-1
常用实例：
struct sockaddr_in clientaddr;
memset(&clientaddr, 0, sizeof(struct sockaddr));
int addrlen = sizeof(struct sockaddr);
int new_fd = accept(sfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &addrlen);
if(new_fd == -1)
{
perror("accept");
close(sfd);
exit(-1);
}
printf("%s %d success connect\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr),ntohs(clientaddr.sin_port));

recv函数：用新的套接字来接收远端主机传来的数据，并把数据存到由参数buf 指向的内存空间
原型：int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);
参数：sockfd为前面accept的返回值.即new_fd，也就是新的套接字。
buf表示缓冲区
len表示缓冲区的长度
flags通常为0
返回值：成功则返回实际接收到的字符数，可能会少于你所指定的接收长度。失败返回-1
常用实例：
char buf[512] = {0};
if(recv(new_fd, buf, sizeof(buf), 0) == -1)
{
perror("recv");
close(new_fd);
close(sfd);
exit(-1);
}
puts(buf);

send函数：用新的套接字发送数据给指定的远端主机
原型：int send(int s,const void * msg,int len,unsigned int flags);
参数：s为前面accept的返回值.即new_fd
msg一般为常量字符串
len表示长度
flags通常为0
返回值：成功则返回实际传送出去的字符数，可能会少于你所指定的发送长度。失败返回-1
常用实例：
if(send(new_fd, "hello", 6, 0) == -1)
{
perror("send");
close(new_fd);
close(sfd);
exit(-1);
}

close函数：当使用完文件后若已不再需要则可使用close()关闭该文件，并且close()会让数据写回磁盘，并释放该文件所占用的资源
原型：int close(int fd);
参数：fd为前面的sfd,new_fd
返回值：若文件顺利关闭则返回0，发生错误时返回-1
常用实例：
close(new_fd);
close(sfd);

connect函数：用来请求连接远程服务器，将参数sockfd 的socket 连至参数serv_addr 指定的服务器IP和端口号上去。
原型：int connect (int sockfd,struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);
参数：
sockfd为前面socket的返回值，即sfd
serv_addr为结构体指针变量，存储着远程服务器的IP与端口号信息。
addrlen表示结构体变量的长度
返回值：成功则返回0，失败返回-1
常用实例：
struct sockaddr_in seraddr;//请求连接服务器
memset(&seraddr, 0, sizeof(struct sockaddr));
seraddr.sin_family = AF_INET;
seraddr.sin_port = htons(8888); //服务器的端口号
seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.101"); //服务器的ip
if(connect(sfd, (struct sockaddr*)&seraddr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
{
perror("connect");
close(sfd);
exit(-1);
}

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