15.tcp协议和socket编程

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15.1.linux网络编程框架
(1)网络是分层的，OSI制定了7层模型；网络为什么要分层，因为网络通信非常复杂；网络分层的具体表现为4层；TCP/IP协议是用的最多的网络协议实现；TCP/IP分为4层，对应OSI的7层；我们编程时最关注应用层，了解传输层（tcp+udp+tftp等），网际互联层和网络接入层不用管。
(2)BS和CS架构=CS架构（client_server，客户端服务器架构，譬如QQ客户端和QQ服务器）+BS架构（broswer_server，浏览器服务器架构，后续会成为主流架构）。

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15.2.TCP协议简介
(1)TCP协议工作在传输层（APP->TCP协议->IP协议），对上服务socket接口（APP的API接口），对下调用IP层；TCP协议面向连接，通信前必须先3次握手建立连接关系后才能开始通信；TCP协议提供可靠传输，不怕丢包/乱序等；TCP的接收方收到数据包后会ack给发送方，若发送方未收到ack会丢包重传；TCP的有效数据内容会附带校验码，以防止内容在传递过程中损坏；TCP会根据网络带宽来自动调节适配速率（滑动窗口技术）；发送方会分割报文并进行编号，接收方会校验编号，一旦顺序错误即会重传。
(2)TCP建立连接需要三次握手，建立连接的条件是服务器出于listen状态时客户端主动发起connect连接；关闭连接需要四次握手，服务器或者客户端都可以主动发起关闭（握手协议已经封装在TCP协议内部，socket编程接口平时不用管）；TCP连接必须要服务端先listen，然后客服端这边主动发起connect，然后客户端发送SYN，服务器回复SYN+ACK，然后客户端再回复SYN，双方建立连接，建立连接后双方可自由通信，通信完后服务器和客户端都可以发送FIN报文，接收方回复ACK，然后接收方发送FIN报文，然后对方回复ACK，双方关闭连接，整个通信结束；参考链接http://blog.youkuaiyun.com/whuslei/article/details/6667471。

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15.3.TCP通信模式和应用
(1)基于TCP通信的服务模式；服务器必须具有公网IP地址（或者使用动态IP地址映射技术）；服务器端socket->bind->listen后处于监听状态；客户端socket后，直接connect去发起连接；服务器收到并同意客户端接入后会建立TCP连接，然后双方开始收发数据，收发时是双向的，而且双方均可发起；双方均可发起关闭连接。
(2)常见的使用了TCP协议的网络应用；http和ftp（应用层协议，主要使用在浏览器中）在此处可将其看做是http应用程序（超文本信息的传送如图像等）和ftp应用程序（纯文本信息的传送），这两个应用程序在底层都广泛使用了TCP协议；QQ客户端和QQ服务之间的通信也是通过TCP协议连接进行通讯的；mail客户端和mail服务器之间使用http协议，底层也是通过TCP协议的。

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15.4.socket编程接口介绍
(1)建立连接；socket（类似于open，用来打开1个网络连接，如果成功则返回1个网络文件描述符（int类型），之后我们操作该网络连接都通过该网络文件描述符）；bind（把本地IP地址和申请到的Socket绑定起来）；listen（服务器监听端口队列）；connect（客户端调用connect连接服务器）。
(2)发送和接收；send和write（写数据信息到Socket中）；recv和read（从Socket中读数据信息）。
(3)辅助性函数（进行IP地址的转换，由点分十进制格式（p/a->”192.168.1.1”）转换成二进制格式（n））；inet_aton和inet_addr和inet_ntoa（不支持IPv6）；inet_ntop、inet_pton（目前推荐使用的接口，支持IPv6和IPv4）。
(4)表示IP地址相关数据结构都定义在/usr/include/netinet/in.h中；struct_sockaddr（网络编程接口中用来表示1个IP地址，注意该IP地址是不区分IPv4和IPv6，或者说是兼容IPv4和IPv6）；typedef-uint32_t-in_addr_t（网络内部用来表示IP地址的类型）；struct-in_addr{in_addr_t-s_addr;};（针对in_addr_t的第1层封装->in_addr）；struct-sockaddr_in{略}（IPv4的IP地址结构体）；struct-sockaddr（linux的网络编程接口中用来表示IP地址的标准结构体，bind和connect等函数中都需要该结构体，此结构体是兼容IPV4和IPV6的，在实际编程中该结构体会被1个struct-sockaddr_in（IPv4的IP地址）或1个struct-sockaddr_in6（IPv6的IP地址）所填充）（见图1）。

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15.5.soekct实践编程
(1)端口号，实质就是1个数字编号，用来在我们1台主机中（主机的操作系统中）唯一的标识1个能上网的进程；端口号和IP地址一起会被打包到当前进程发出或者接收到的每个数据包中；每个数据包将来在网络上传递的时候，内部都包含了发送方和接收方的信息（就是IP地址和端口号），所以IP地址和端口号这两个往往是打包在1起不分家的。
(2)服务器端程序编写流程=socket（使用socket打开1个文件描述符）+bind（使用bind和本地绑定，即将该服务器程序的端口号+IP地址和该socket进行绑定）+listen（监听端口）+accept（返回值是1个fd，accept正确返回就表示我们已经和前来连接我的客户端之间建立了1个TCP连接了，以后我们就要通过该连接来和客户端进行读写操作，读写操作就需要1个fd，该fd就由accept来返回了）。
(3)客户端程序编写流程=socket（使用socket打开1个文件描述符）+connect（和服务器建立连接）；socket返回的fd叫做监听fd，是用来监听客户端的，不能用来和任何客户端进行读写；accept返回的fd叫做连接fd，是用来和连接那端的客户端程序进行读写。
(4)如何让服务器和客户端好好沟通；客户端和服务器原则上都可以任意的发和收，但是实际上双方必须配合，client发的时候server就收，而server发的时候client就收；client和server之间的通信本质上来说是异步的，这就是问题的根源；解决方案是依靠应用层协议来解决，说白了就是我们server和client事先做好一系列的通信约定。
(5)自定义应用层协议（TCP连接建立后通过应用层协议来实现业务逻辑）；首先规定服务器和客户端之间的发送和接收方法，规定连接建立后由客户端主动向服务器发出1个请求数据包，然后服务器收到数据包后回复客户端1个回应数据包，这就是1个通信回合，整个连接的通信就是由N多个回合组成的；然后定义数据包格式，一般是定义某个标准结构体进行数据的封装；常用的应用层协议（有http/ftp等）和自定义应用层协议原理相同，只是通信机制更加健全和复杂而已。

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15.ip_address_translation.c
/*
 * 公司：XXXX
 * 作者：Rston
 * 博客：http://blog.youkuaiyun.com/rston
 * GitHub：https://github.com/rston
 * 项目：待定
 * 功能：演示inet_addr和inet_pton和inet_ntop函数的使用。
 * 0x66     01      a8      c0
 * 0d102    001     168     192
 * 网络字节序即大端模式，网络中只允许有大端模式，不允许有小端模式。
 */
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>

#define IPADDR "192.168.1.102" 

int main(int argc, char **argv)
{
#if 1
    const char *ret = NULL;
    in_addr_t addr = 0x6601a8c0;
    char buf[50] = {0};

    ret = inet_ntop(AF_INET, &addr, buf, sizeof(buf));
    if (NULL == ret)
    {
        perror("inet_ntop error");
        exit(-1);
    }

    printf("addr = %s.\n", buf);            // addr = 192.168.1.102.
#endif

#if 0
    struct in_addr addr = {0};
    int ret = -1;

    ret = inet_pton(AF_INET, IPADDR, &addr);
    if (1 != ret)
    {
        printf("inet_pton error.\n");
        exit(-1);
    }

    printf("addr = 0x%x.\n", addr.s_addr);  // addr = 0x6601a8c0.
#endif  

#if 0
    in_addr_t addr = 0;

    addr = inet_addr(IPADDR);

    printf("addr = 0x%x.\n", addr);         // addr = 0x6601a8c0.
#endif
    return 0;
}

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15.socket/datapack.h
/*
 * 公司：XXXX
 * 作者：Rston
 * 博客：http://blog.youkuaiyun.com/rston
 * GitHub：https://github.com/rston
 * 项目：tcp协议和socket编程
 * 功能：封装数据包。
 */

#define CMD_REGISTER    1001    // 注册学生信息
#define CMD_CHECK       1002    // 检验学生信息
#define CMD_GETINFO     1003    // 获取学生信息

#define STAT_OK         30      // 回复ok
#define STAT_ERR        31      // 回复出错了

typedef struct commu
{
    char name[20];              // 学生姓名
    int age;                    // 学生年龄
    int cmd;                    // 命令码
    int stat;                   // 状态信息，用来回复
}info;

15.socket/Makefile
all:
    gcc server_socket.c -o ser
    gcc client_socket.c -o cli

clean:
    rm ser cli *.o -rf

15.socket/server_socket.c
/*
 * 公司：XXXX
 * 作者：Rston
 * 博客：http://blog.youkuaiyun.com/rston
 * GitHub：https://github.com/rston
 * 项目：tcp协议和socket编程
 * 功能：演示简单的socket服务器程序。
 */
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include "datapack.h"

#define SERPORT     9003
#define SERADDR     "192.168.2.51"          // 在linux下通过ifconfig命令查看
#define BACKLOG     100                     // 客户端排队数

char databuf[100];                          // 数据缓冲区
info student;                               // 学生信息数据包

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd = -1, clifd = -1, ret = -1;
    socklen_t len = 0;
    struct sockaddr_in seraddr = {0};
    struct sockaddr_in cliaddr = {0};

    // 调用socket打开文件描述符
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 地址族为IPv4；流式socket，使用TCP协议
    if (-1 == sockfd)
    {
        perror("sockfd error");
        exit(-1);
    }
    printf("socket success, the sockfd = %d.\n", sockfd);

    // bind绑定sockefd和当前电脑的ip地址&端口号
    seraddr.sin_family = AF_INET;                   // 设置地址族为IPv4
    seraddr.sin_port = htons(SERPORT);              // 设置地址的端口号信息
    seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);   // 设置IP地址
    ret = bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
    if (-1 == ret)
    {
        perror("bind error");
        exit(-1);
    }
    printf("bind success.\n");

    // listen监听端口
    ret = listen(sockfd, BACKLOG); // 阻塞等待客户端来连接服务器
    if (-1 == ret)
    {
        perror("listen error");
        exit(-1);
    }
    printf("listen success.\n");

    // accept阻塞等待客户端接入
    clifd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
    if (-1 == clifd)
    {
        perror("accept error");
        exit(-1);
    }
    printf("connect success, the client fd = %d.\n", clifd);

#if 0
    // 服务器反复接收客户端发过来的数据
    while (1)
    {
        ret = recv(clifd, &databuf, sizeof(databuf), 0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("recv error");
            exit(-1);
        }

        printf("The number of bytes recv is %d.\n", ret);
        printf("The monent of recv is %s.\n", databuf);

        memset(databuf, 0, sizeof(databuf));
    }
#endif

#if 0
    // 服务器反复给客户端发数据
    while (1)
    {
        printf("please input the coment of send data.\n");
        gets(databuf);

        ret = send(clifd, &databuf, strlen(databuf), 0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("send error");
            exit(-1);
        }

        printf("The number of bytes send is %d.\n", ret);
        printf("The monent of send is %s.\n", databuf);

        memset(databuf, 0, sizeof(databuf));
    }
#endif

#if 1
    // TCP连接建立后通过应用层协议来实现业务逻辑
    while (1)
    {
        // 服务器接收客户端发送的请求
        ret = recv(clifd, &student, sizeof(info), 0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("recv error");
            exit(-1);
        }

        // 服务器解析客户端数据包，然后处理业务
        if (student.cmd == CMD_REGISTER)
        {
            // 服务器要进行真正的注册动作，通常是插入数据库1条信息
            printf("The user will to register the news of student.\n");
            printf("The name of student is %s.\n", student.name);
            printf("The age of student is %d.\n", student.age);

            // 服务器回复客户端数据表明请求已经处理OK
            student.stat = STAT_OK;
            ret = send(clifd, &student, sizeof(info), 0);
            if (-1 == ret)
            {
                perror("send error");
                exit(-1);
            }
        }
    }
#endif
    return 0;
}

15.socket/client_socket.c
/*
 * 公司：XXXX
 * 作者：Rston
 * 博客：http://blog.youkuaiyun.com/rston
 * GitHub：https://github.com/rston
 * 项目：tcp协议和socket编程
 * 功能：演示简单的socket客户端程序。
 */
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>         
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "datapack.h"

#define SERADDR     "192.168.2.51"          // 服务器开放给我们的IP地址
#define SERPORT     9003                    // 服务器开放给我们的端口号

char databuf[100];                          // 数据缓冲区
info student;                               // 学生信息数据包

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd = -1, ret = -1;
    struct sockaddr_in seraddr = {0};
    struct sockaddr_in cliaddr = {0};

    // 调用socket打开文件描述符
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 地址族为IPv4；流式socket，使用TCP协议
    if (-1 == sockfd)
    {
        perror("sockfd error");
        exit(-1);
    }
    printf("socket success, the sockfd = %d.\n", sockfd);

    // 调用connect链接服务器
    seraddr.sin_family = AF_INET;                   // 设置地址族为IPv4
    seraddr.sin_port = htons(SERPORT);              // 设置地址的端口号信息
    seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);   // 设置IP地址
    ret = connect(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
    if (-1 == ret)
    {
        perror("connect error");
        exit(-1);
    }
    printf("connect success, the fd is = %d.\n", ret);

#if 0
    // 客户端反复给服务器发数据
    while (1)
    {
        printf("please input the coment of send data.\n");
        gets(databuf);

        ret = send(sockfd, &databuf, strlen(databuf), 0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("send error");
            exit(-1);
        } 

        printf("The number of bytes send is %d.\n", ret);
        printf("The monent of send is %s.\n", databuf);

        memset(databuf, 0, sizeof(databuf));
    }
#endif  

#if 0
    // 客户端反复接收服务器数据
    while (1)
    {
        ret = recv(sockfd, &databuf, sizeof(databuf), 0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("recv error");
            exit(-1);
        }

        printf("The number of bytes recv is %d.\n", ret);
        printf("The monent of recv is %s.\n", databuf);

        memset(databuf, 0, sizeof(databuf));
    }
#endif

#if 1
    // TCP连接建立后通过应用层协议来实现业务逻辑
    while (1)
    {
        // 客户端发送请求到服务器
        printf("please input the name.\n");
        scanf("%s", student.name);
        printf("please input the age.\n");
        scanf("%d", &student.age);
        student.cmd = CMD_REGISTER;
        ret = send(sockfd, &student, sizeof(student), 0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("send error");
            exit(-1);
        }

        // 客户端接收服务器的回复
        memset(&student, 0, sizeof(student));
        ret = recv(sockfd, &student, sizeof(student), 0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("recv error");
            exit(-1);
        }

        // 客户端解析服务器的回复，再做下1步定夺
        if (student.stat == STAT_OK)
        {
            printf("register news success.\n");
        }
        else
        {
            printf("register news error.\n");
        }
    }
#endif
    return 0;
}

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