C语言网络编程——TCP

2021-08-03 21:54:02

1.1 套接字

C语言网络编程其实本质上也是多进程之间通过socket套接字进行通信，知识进程可能位于不同的服务器上，常用的TCP/IP协议有3种套接字类型，如下所示：

1.1.1 流套接字（SOCK_STREAM）

流套接字用于提供面向连接、可靠的数据传输服务，该服务保证数据能够实现无差错、无重复发送，并按照顺序接受。流套接字之所以能偶实现可靠的数据服务，原因在于使用了TCP传输控制协议。

1.1.2 数据报套接字（SOCK_DGRAM）

数据包套接字提供了一种无连接的服务，该服务不能保证数据传输的可靠性，数据有可能在传输过程中丢失或者出现数据重复，且无法保证顺序的接受数据。数据报套接字使用UDP进行数据传输。

1.1.3 原始套接字（SOCK_RAW）

原始套接字允许对较低层次的协议直接访问，常用于检验新的协议实现，或者访问现有服务中配置的新设备，因为器可以自如控制Window下的多种协议，能够对网络地城的传输机制进行控制，所以可以应用原始套接字来操纵网络层和传输层应用。如：通过原始套接字接受发向本机的ICMP、IGMP，或者接受TCP/IP栈不能处理的IP包。

1.1.3 C语言套接字数据结构

套接字通常由三个参数构成：IP地址，端口号、传输层协议。C语言进行套接字编程的时候，通常会使用sockaddr和sockaddr_in两种数据类型，用于保存套接字信息。

struct sockaddr
{
	// 地址族，2字节
	unsigned short sa_family;
	// 存放地址和端口
	char sa_data[14];

}

struct sockaddr_in
{
	// 地址族
	short int sin_family;
	// 端口号
	unsigned short int sin_port;
	// 地址
	struct in_addr sin_addr;
	// 8字节数组，全为0，该字节数组的作用是为了让两种数据结构大小相同而保留的空字节
	unsigned char sin_zero[8];
}

对于sockaddr，大部分的情况下知识用于bind、connect、recvform、sendto等函数的参数，指明地址信息，在一般编程中，并不对此结构体直接操作，而是用sockaddr_in代替。
两种数据结构中，地址族都占2个字节，常见的地址族AF_INET, AF_INET6, AF_LOCAL。这里要注意字节序的问题，建议使用以下函数来对端口和地址进行处理。

uint16_t htons(uint16_t bost16bit)
uint32_t htonl(uint32_t bost32bit)
uint16_t ntons(uint16_t net16bit)
uint32_t ntons(uint32_t net32bit)

1.2 基于TCP的网络编程

客户端和服务器的连接和三次握手发生在accept函数下，listen函数知识创建了socket的监听模式。

使用socket进行TCP通信时，经常使用的函数如下表所示。

函数	作用
socket	用于建立一个socket连接
bind	将socket与本机的一个端口绑定，随后可以在该端口监听服务请求
connect	面向连接的客户程序使用connect函数来配置socket，并于远程服务器建立一个连接
listen	是socket处于被动监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达服务器请求保存在此队列中，直到程序处理他们
accept	让服务器接收客户端的连接请求
close	停止在该socket上的任何操作
send	数据发送函数
recv	数据接收函数

1.2.1 服务端实现

服务端程序流程如下：

使用socket()函数创建一个socket
使用bind()函数，绑定ip地址、端口等信息到socket上
使用listen()函数，设置允许的最大连接数
使用accept()函数，接收客户端上来的连接
使用send()和recv()函数或read()和write()函数，收发数据
使用close()函数关闭连接
实现代码：

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

#define MAX_SIZE 512
#define PORT 3332

int main(void)
{
    int sockfd;
    int sock_fd;
    int recvnum;
    int addrlen = sizeof(struct sockaddr);
    struct sockaddr_in my_addr;
    struct sockaddr addr;
    char buf[MAX_SIZE];
	// 填充服务器端的数据，用于套接字绑定
    bzero(&my_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
    my_addr.sin_family = AF_INET; // 设置为IPV4
    my_addr.sin_port = htons(PORT); // 将端口号主机序转换为网络序
    my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.192.128"); // ip设置为192.168.192.128
	// 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        printf("create socket error!\n");
        exit(1);
    }
    // 绑定套接字
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, addrlen) < 0)
    {
        printf("bind error!\n");
        exit(1);
    }
	// 监听端口和ip，设置最大连接数为3
    if (listen(sockfd, 3) < 0)
    {
        printf("listen error!\n");
        exit(1);
    }
	// 建立服务器端和客户端连接
    sock_fd = accept(sockfd, &addr, &addrlen);
    // 建立连接后，产生新的套接字
    if (sock_fd < 0)
    {
        printf("accept error!\n");
        exit(1);
    }
	// 接收数据
    if ((recvnum = recv(sock_fd, (void *)buf, MAX_SIZE, 0)) < 0)
    {
        printf("recv error!\n");
        exit(1);
    }
    buf[recvnum] = '\0';
    printf("recv from client: %s\n", buf);
    memset(buf, 0, MAX_SIZE);
    // 关闭连接
    close(sockfd);
    close(sock_fd);
    return 0;
}

1.2.2 客户端实现

客户端程序流程如下：

使用socket()函数，创建一个socket
设置要连接的服务端ip地址和端口等属性
使用connect()函数，连接服务器端
使用send()和recv()函数或read()和write()函数，收发数据
使用close()函数关闭网络连接

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>

#define MAX_SIZE 512
#define PORT 3332

int main()
{
    int sockfd;
    int addrlen = sizeof(struct sockaddr);
    char buf[MAX_SIZE];
    struct sockaddr_in serv_addr;
	// 填充服务器端数据
    bzero(&serv_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = ntohs(PORT);
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.192.128");
	// 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        printf("create socket error!\n");
        exit(1);
    }
	// 连接服务器端
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, addrlen) < 0)
    {
        printf("connect error!\n");
        exit(1);
    }
	// 发送数据到服务端
    memset(buf, 0, MAX_SIZE);
    printf("enter some text:");
    scanf("%s", buf);

    if (send(sockfd, (void *)buf, MAX_SIZE, 0) < 0)
    {
        printf("send error!\n");
        exit(1);
    }
	// 关闭连接
    close(sockfd);
    return 0;
}

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