浅谈 Linux C语言 socket 网络编程

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已于 2022-03-05 15:22:12 修改

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分类专栏： c/c++ 文章标签：网络

于 2022-03-05 15:11:00 首次发布

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注意：本文是按照 TCP、UDP的工作过程进行总结的

TCP套 socket 接口编程：

基于TCP的 客户/服务器（C/S）模式的工作过程如下：

image

服务器进程中的一些函数：

socket()：

/*  函数所需头文件及其原型 */
#include <sys/socket.h>
int socket( int family, int type, int protocol);
socketfd = soket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
/*  socketfd 作为返回值，可以记作描述符。
 若 socketfd 非负则表示成功，为负则表示失败。
 参数：
     family   -> 指明协议族
     type     -> 字节流类型
     protocol -> 一般置0.
 参数 family 的取值范围是：  
     AF_LOCAL    UNIX 协议族 
     AF_ROUTE    路由套接口  
        AF_INET      IPv4 协议  
        AF_INET6    IPv6 协议  
        AF_KEY       密钥套接口
    参数 type 的取值范围：   
        SOCK_STREAM   TCP 套接口  
        SOCK_DGRAM    UDP 套接口  
        SOCK_PACKET   支持数据链路访问  
        SOCK_RAM      原始套接口 
*/

生成套接口描述字（套接字）后，要为套接口的地址数据结构进行赋初值。

通用套接口地址的数据结构中，struct sockaddr_in 需要掌握：

struct in_addr  {    
    in_addr_t s_addr;       
    /*32 位 IP 地址，网络字节序*/  
}; 

struct sockaddr_in  {    
    uint8 sin_len;    
    sa_family_t sin_family;    
    in_port_t sin_port;              
    /*16 位端口号，网络字节序*/    
    struct in_addr sin_addr;             
    char sin_zero[8];                
    /*备用的域，未使用*/  
};

PS：需要注意的是，一般在 socket() 之后，我们会填写 sockaddr 的相关内容。

 /* Fill the local socket address struct */
 memset (&servaddr,0,sizeof(servaddr));
 servaddr.sin_family = AF_INET;                      // Protocol Family
 servaddr.sin_port = htons (PORT);                   // Port number
 servaddr.sin_addr.s_addr  = htonl (INADDR_ANY);     // AutoFill local address

bind()：

 // 函数原型：
 #include <sys/socket.h>  
 int bind(int sockfd,const struct sockaddr *myaddr,socklen_t addrlen);
 /*
     参数 sockfd ：套接字描述符。 
     参数 my_addr：指向 sockaddr 结构体的指针（该结构体中保存有端口和 IP 地址 信息）。 
     参数 addlen：结构体 sockaddr 的长度。
        
        返回：0──成功， -1──失败 
 */
 ret = bind(sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr)); 

 /*  功能：当调用 socket 函数创建套接字后，该套接字并没有与 本机地址和端口等 信息相连，
     bind 函数将完成这些工作。
 */

listen()：

 //  函数原型：
 #include <sys/socket.h>  
 #include<sys/types.h>
 //  #define BACKLOG 10
 int listen(int sockfd,int backlog);

 /*
     参数 sockfd ：套接字描述符。
     参数 backlog ：规定内核为此套接口排队的最大选择个数。 
 */
 ret = listen(sockfd,BACKLOG);
 
 // 通常采用一下的异常处理：
 if(listen(listenfd,BACKLOG) == -1){  
     printf("ERROR: Failed to listen Port %d.\n", PORT);
     return (0);
 }
 else{
     printf("OK: Listening the Port %d sucessfully.\n", PORT);
 }

处在监听模式下后，程序就需要一个循环来实现挂起等待客户机请求。所以接下来的一步就是接受客户机的请求。

accept()：

先来了解一下 accept() 这个函数：

//   函数原型：
#include <sys/socket.h>  
#include<sys/types.h> 
int accept(int sockfd,struct sockaddr *cliaddr,socklen_t *addrlen);

/*
 sockfd  参数：监听的  套接字描述符。 
 cliaddr 参数：指向结构体 sockaddr 的指针。  
 addrlen 参数：cliaddr 参数指向的内存空间的长度。 
*/

sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);  
connect_fd = accept(sockfd,( struct sockaddr *)&their_addr,&sin_size);

accept() 函数用于面向连接类型的套接字类型。
accept() 函数将从连接请求队列中获得连接信息，创建新的套接字，并返回该套接字的文件描述符。
新创建的套接字用于服务器与客户机的通信，而原来的套接字仍然处于监听状态。
它们的区别在于：监听套接口描述字只有一个，而且一直存在，
每一个连接都有一个已连接套接口描述字，当连接断开时就关闭该描述字。

注意：bind 函数和 accept 函数的第三个参数是不一样的。

close()：

//   函数原型：
#include <unistd.h>  
int close(int sockfd); 
//   成功则返回 0，否则返回-1。 
//   功能：关闭套接口 其中参数 sockfd 是关闭的套接口描述字。 
//   当对一个套接口调用 close（）时， 关闭该套接口描述字，并停止连接。

    以后这个套接口不能再使用，也不能再执行 任何读写操作，但关闭时已经排队准备发送的数据仍会被发出 使用完一个套接口后，一定要记得将它关掉，任何一个文件读写操作完毕之后， 都要关闭它的描述字。

客户机进程中的一些函数：

socket()：

这个函数前面提过，这里不必多说。

创建套接字后，同理，也需要对套接口进行设置：（这是在客户端填充的服务器端的资料）......

bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化,置 0 
server_addr.sin_family=AF_INET;          // IPV4 
server_addr.sin_port=htons(portnumber);  
// (将本机器上的 short 数据转化为网络上的 short 数据)端口号，与服务器端 的端口号相同 
server_addr.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr_list);  // IP 地址

connect()：

 connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr), sizeof(structsockaddr)); 
    函数原型：
    #include <sys/types.h>  
    #include <sys/socket.h>  
    int connect(int sockfd,const struct sockaddr *serv_addr,int addrlen); 

 /*
     返回值：成功：返回 0 错误：返回-1，并将全局变量 errno 设置为相应的错误号。 
     参数 sockfd ：数据发送的套接字，解决从哪里发送的问题，ockfd 是先前 socket 返回的值 
     参数 serv_addr：据发送的目的地，也就是服务器端的地址 
     参数 addrlen：指定 server_addr 结构体的长度 
 */

 函数功能：
 创建了一个套接口之后，使客户端和服务器连接。其实就是完成一个 有连接协议 的连接过程，
 对于 TCP 来说就是那个三段握手过程。

关于三段握手：（《计算机网络》谢希仁编著第七版中将其定名为：" 三报文握手 "）：

客户端先用 connect() 向服务器发出一个要求连接的信号 SYN1;

服务器进程接收到这个信号后，发回应答信号 ack1，同时这也是一个要求回答的信号 SYN2;

客户端收到信号 ack1 和 SYN2 后，再次应答 ack2; 服务器收到应答信号 ack2,一次连接才算建立完成。

从上面过程可以看出，服务器会收到两次信号 SYN1 和 ack2，因此服务器进程需要两个队列保存不同状态的连接。刚接收到 SYN1 信号时，连接还未完成，这时的连接放在一个名为“未完成连接”的队列中。接收到 ack2 信号后，三段握手完成，这时的连接放在名为“已完成连接” 的队列中，等待 accept() 调用。

关于 recv() 、send() 和 recvfrom() 、sendto() ：

先说前两个：

recv() 和 send() 都是基于 TCP 协议。

不论是客户还是服务器应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据。

客户程序一般用send函数向服务器发送请求，而服务器则通常用send函数来向客户程序发送应答。

同样，不论是客户还是服务器应用程序都用recv函数从TCP连接的另一端接收数据。

//   函数原型：
int send( SOCKET s, const char *buf, int len, int flags );
int recv( SOCKET s, char *buf, int len, int flags );

（1）recv 先等待 s 的发送缓冲中的数据被协议传送完毕，如果协议在传送 s 的发送缓冲中的数据时出现网络错误，那么recv函数返回 SOCKET_ERROR ；

（2）如果 s 的发送缓冲中没有数据或者数据被协议成功发送完毕后，recv 先检查套接字 s 的接收缓冲区，如果 s 接收缓冲区中没有数据或者协议正在接收数据，那么 recv 就一直等待，直到协议把数据接收完毕。

当协议把数据接收完毕，recv 函数就把 s 的接收缓冲中的数据 copy 到 buf 中（注意协议接收到的数据可能大于 buf 的长度，所以在这种情况下要调用几次 recv 函数才能把s的接收缓冲中的数据 copy 完。recv 函数仅仅是 copy 数据，真正的接收数据是协议来完成的）；

其中，recv 函数返回其实际 copy 的字节数。如果 recv 在 copy 时出错，那么它返回 SOCKET_ERROR；如果recv函数在等待协议接收数据时网络中断了，那么它返回 0。

然后是后两个：

recvfrom() 和 sendto() 都是基于 UDP 协议。

不同于 TCP 协议，UDP 提供的是一种无连接的、不可靠的数据包协议。它不对数据进行确认、出错重传、排序等可靠性处理，但是它却具有代码小、速度快和系统开销小等优点。对于某些应用程序，使用 UDP 来实现，将带来更大效率。

与基于 TCP 协议的客户机/服务器模式的工作流程图相比较，它们的主要区别在于：

使用 TCP 套接口必须先建立连接（例如客户进程的 connect() ，服务器进程的 **listen() **和 accept() ）。

而 UDP 套接口不需预先连接，它在调用 socket()生成一个套接口后，

-> 在服务器端调用 bind() 绑定众所周知的端口后，服务器阻塞于 recvfrom() 调用，

-> 客户端调用 sendto() 发送数据请求，阻塞于 recvfrom() 调用，

-> 服务器端调用 recvfrom() 接收数据，服务器端也调用 sendto() 向客户发送数据作为应答，然后阻塞于 recvfrom() 调用，

-> 客户端调用 recvfrom() 接收数据......

当数据传输完成以后，UDP 套接口中的客户端调用 close() 断开连接，而 TCP 套接口中的客户端不必再发出“断开连接信号”来通知服务器端关闭连接。

一些重要的应用程序，如域名服务系统 DNS、网络文件系统 NFS 都使用 UDP 套接口。

//   函数原型：
#include <sys/socket.h>   
int recvfrom(int sockfd, void *buff, int len,int flags, struct sockaddr *fromaddr, int *addrlen);
/*
 参数 sockfd 为套接口描述字；  
 参数 buff 为指向读缓冲的指针；  
 参数 len 为读的字节数；  
 参数 flags 一般设置为 0；  
 参数 fromaddr 为指向数据接收的套接口地址结构的指针；  
 参数 addrlen 为套接口结构长度。
 
 函数返回实际读的字节数，可以为 0，如果出错，则返回-1。
*/


int sendto(int sockfd, void *mes,int len, int flags, struct sockaddr *toaddr, int *addrlen); 
/*
 参数 mes 为指向写缓冲的指针；  
 参数 toaddr 为指向数据发送的套接口地址结构的指针； 
 
 函数返回实际写的字节数，可以为 0，如果出错，则返回-1。 
*/

拓展：

gethostbyname()函数说明——用域名或主机名获取IP地址

包含头文件

    #include <netdb.h>
    #include <sys/socket.h>

   函数原型
    struct hostent *gethostbyname(const char *name);
    这个函数的传入值是域名或者主机名，例如"www.google.cn"等等。传出值，是一个hostent的结构。如果函数调用失败，将返回NULL。

   返回hostent结构体类型指针

    struct hostent
    {
        char    *h_name;               
        char    **h_aliases;
        int     h_addrtype;
        int     h_length;
        char    **h_addr_list;
        #define h_addr h_addr_list[0]
    };

    hostent->h_name

表示的是主机的规范名。例如www.google.com的规范名其实是www.l.google.com。

    hostent->h_aliases

表示的是主机的别名.www.google.com就是google他自己的别名。有的时候，有的主机可能有好几个别名，这些，其实都是为了易于用户记忆而为自己的网站多取的名字。

    hostent->h_addrtype

表示的是主机ip地址的类型，到底是ipv4(AF_INET)，还是pv6(AF_INET6)

    hostent->h_length

表示的是主机ip地址的长度

    hostent->h_addr_lisst

表示的是主机的ip地址，注意，这个是以网络字节序存储的。千万不要直接用printf带%s参数来打这个东西，会有问题的哇。所以到真正需要打印出这个IP的话，需要调用inet_ntop()。

 const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t cnt) ：

这个函数，是将类型为af的网络地址结构src，转换成主机序的字符串形式，存放在长度为cnt的字符串中。返回指向dst的一个指针。如果函数调用错误，返回值是NULL。

浅谈 Linux C语言 socket 网络编程

服务器进程中的一些函数：

客户机进程中的一些函数：

关于 recv() 、send() 和 recvfrom() 、sendto() ：

拓展：

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