TCP-网络编程-实现一个TCP Server

1. socket

网络层中的IP地址可以唯一确定一台主机，而传输层的 协议+端口 可以唯一表示主机中的应用程序（进程），因此利用三元组（Ip 地址，协议，端口）就可以表示网络中的进程。

进程间的通信是通过socket来完成的，socket类似于文件操作，封装了一组接口，利用这些接口完成**“打开、读/写、关闭操作”**

以TCP协议通信的socket为例，下图是TCP的交互过程：

具体过程如下：
（1）服务器根据地址类型（ ipv4, ipv6 ）、 socket 类型、协议创建 socket
（2）bind(): 服务器为 socket 绑定 IP 地址和端口号
（3）listen(): 服务器监听端口号请求，随时接受客户端发来的链接请求，此时，服务器的socket并没有打开
（4）客户端创建socket
（5）connect(): 客户端打开socket，并根据服务器的IP地址和端口号尝试链接服务器socket
（6）accept(): 服务器监听到客户端的socket请求，被动打开socket，开始接收客户端请求，此时，服务端socket进入阻塞状态，即accept()方法，直到客户端返回连接信息（三次握手过程）后才返回。
（7）客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息
（8）服务器accept()方法返回，连接成功
（9）send(): 客户端向socket写入信息
（10）recv(): 服务端读取信息
（11）客户端关闭
（12）服务器端关闭

2. 接口详解

（1）socket函数

函数原型： int socket(int domain ， int type , int protocol) ;

返回值：整型的socket描述符。 socket函数对应于普通的文件打开操作，普通文件打开操作返回的是一个文件描述符，而socket()函数返回的是socket描述符，它唯一标识一个socket

参数：

参数名	描述
domain	协议域，又称协议族。 常用地协议族有：AF_INET、 AF_INET6 、 AF_LOCAL （或称 AF UNIX, Unix 域 socket ） 、 AF_ROUTE 等 。 协议族决定了 socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如 AF_INET 决定了要用 ipv4 地址 （ 32 位） 与端口号（ 16 位）的组合 、 AF_ROUTE 决定了要用一个绝对路径名作为地址 。
type	指定socket类型。 常用的socket类型：SOCK_STREAM 、 SOCK_DGRAM 、SOCK_RAW 、 SOCK_PACKET 、 SOCK_SEQPACKET 等 。 SOCK_STREAM: 面向连接的可靠传输，即TCP协议。 SOCK_DGRAM: 面向无连接的不连续不可靠的传输，即UDP协议。 SOCK_RAW : 原始socket，可以读写ICMP及ICMP6、特殊的IP数据包（如自定义包）。 SOCK_PACKET: 与网络驱动程序直接通信，内核将不对网络数据进行处理而直接交给用户。 SOCK_STREAM: 提供连续可靠的数据包连接。
protocol	协议 常用协议：IPPROTO_TCP（TCP协议） , IPPTOTO_UDP（UDP协议） , IPPROTO_SCTP（SCTP协议） 、 IPPROTO_TIPC（TIPC协议） 当protocol为0时，自动为type选择对应的协议

socket()函数调用成功，则返回一个新创建的套接字描述符，调用失败，则返回INVALID_SOCKET（linux中为-1）。套接字描述符是一个整型值，每个进程的进程空间里都有一个套接字描述符表，存放着套接字描述符和套接字数据结构的对应关系。

（2）bind函数

函数原型： int bind （int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen) ;

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如 ip 地址＋端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的 IP 地址组合 。bind函数就是把一个地址族中的特定地址赋值给socket（包含IP地址和端口号）。

返回值：如果函数执行成功，返回0，否则，返回SOCKET_ERROR

参数：

参数名	描述
sockfd	即socket描述符。
addr	一个 const struct sockaddr＊指针，指向要绑定给 sockfd 的协议地址 。 该协议地址结构根据根据创建socket时使用的地址协议族的不同而不同，不同地址协议族的协议地址结构将会在表格下面列出。
addrlen	地址的长度

不同地址协议族的地址结构：
IPv4地址结构代码：

struct sockaddr_in {
	sa_family_t     sin_family;		// 协议族为：AF_INET
	in_port_t       sin_port;		// 按网络字节顺序的端口号
	struct in_addr  sin_addr;		// 互联网地址
};
// 互联网地址
struct in_addr {
	uint32_t   s_addr;		// 网络字节顺序的地址
};

IPv6地址结构代码：

struct sockaddr_in6 {
	sa_family_t     sin6_family;		// 协议族为：AF_INET6
	in_port_t       sin6_port;			// 按网络字节顺序的端口号
	uint32_t		sin6_flowinfo;		// IPv6流信息
	struct in6_addr sin6_addr;			// 互联网地址
	uint32_t		sin6_scope_id;		// 范围ID
};
// IPv6地址
struct in6_addr {
	unsigned char   s6_addr[16];		// IPv6地址
};

UNIX域对应的代码如下：

#define UNIX_PATH_MAX 108
struct sockaddr_un {
	sa_family_t     sun_family;		// 协议族为：AF_UNIX(AF_LOCAL)
	char 			sun_path[UNIX_PATH_MAX];	//路径名
};

（3）listen和connect函数
在服务器端，通过socket()和bind()创建和绑定一个socket之后，会调用listen()函数来监听该socket。在客户端，通过connect()函数发送连接请求，服务端就会收到该请求。

listen和connect函数原型：
int listen(int sockfd , int backlog) ;
int connect(int sockfd , const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen ) ;

listen函数参数说明：

参数名	描述
sockfd	要监听服务端的socket描述符。
backlog	相应 socket 可以排队的最大连接个数

connect函数参数说明：

参数名	描述
sockfd	客户端的socket描述符。
addr	服务器的socket协议地址
addrlen	服务器的socket协议地址长度

（4）accept函数
TCP客户端调用connect()函数之后，就会向服务器发送一个连接请求。服务端监听到该请求之后，会调用accept()函数接收请求，建立连接。

函数原型：
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen) ;

参数：

参数名	描述
sockfd	服务端的监听socket描述符，即socket()生成后绑定IP并监听的socket描述符。
addr	指向 struct sockaddr*的指针，用于返回客户端的协议地址
addrlen	客户端的协议地址长度

返回值：如果accept成功，返回值是由内核自动生成的一个全新的socket描述符。

accept函数第一个参数是由socket函数创建的，并绑定了IP地址和端口号，使用listen监听，称为监听socket描述符；而accept函数返回的是已与客户端连接的socket描述符（新创建的）。
一个服务器通常仅仅只创建一个监昕 socket 描述字 ，它在该服务器的生命周期 内一直存在 。内核为每个由服务器进程接受的客户创建了一个已连接 socket 描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的巳连接 socket 描述字就被关闭 。

（5）读写函数
网络中的IO操作有下面几组：

第一组：read() / write():

函数原型：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count);

read从连接成功的socket中读取内容，其中buf为缓冲区，count为缓冲区大小。当读取成功时，返回实际所读取的字节数，如果返回值为0，表示已读取到文件末尾，返回值小于0，表示读取错误。
write从buf缓冲区向连接成功的socket中写入count个数据，返回写入的字节数。如果写入失败，返回-1，并设置errno变量，保存错误信息。

第二组：recv() / send()
函数原型：
int recv(int fd, void *buf, size_t count, int flags);
int send(int fd, void *buf, size_t count, int flags);

recv函数和send函数与read、write函数类似，前三个参数相同，多了一个flags参数。flag可以是0，也可以是以下的组合：

参数名	描述
MSG_DONTROUTE	**send函数使用的标志。**这个标志表示目的主机在本地网络上，不需要查找表
MSG_OOB	表示接收或发送带外的数据 （使用与普通数据不同的通道独立传送给用户，是相连的每一对流套接口间一个逻辑上独立的传输通道）
MSG_PEEK	**recv函数的使用标志。**表示只是从系统缓冲区中读取内容，而不清除系统缓冲区的内容，这样下次读的时候，仍然是一样的内容。一般在有多个进程读写数据时可以使用这个标志。
MSG_WAITALL	**recv函数的使用标志。**表示等到所有的信息到达时才返回。使用这个标志的时候recv会一直阻塞,直到指定的条件满足（比如达到读取读取的数量或文件末尾），或者是发生了错误。

第三组：readv() / writev()

第四组：recvmsg() / sendmsg()

第五组：recvfrom() / sendto()


（6）close函数
关闭相应的socket描述符
函数原型：
int close (int fd) ;

注意：close操作只是使相应 socket 描述字的引用计数－1 ，只有当引用计数为 0 的时候，才会触发 TCP 客户端向服务器发送终止连接请求 。

3. TCP server实现代码

server.cpp:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<unistd.h>

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv) {
	int listenfd, connfd;	// socket id of sever and client
	struct sockaddr_in severaddr;	// ip address of server
	
	char buf[MAXLINE];
	int n;
	
	// socket init
	if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
		printf("create sever socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		return 0;
	}
	
	memset(&severaddr, 0, sizeof(severaddr));
	severaddr.sin_family = AF_INET;
	severaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	severaddr.sin_port = htons(6666);
	
	// bind socket id
	if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&severaddr, sizeof(severaddr)) == -1) {
		printf("bind sever socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		return 0;
	}
	
	// linsten socket id
	if (listen(listenfd, 10) == -1) {
		printf("listen sever socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		return 0;
	}
	
	printf("=====Waiting for client's request===\n");
	
	while(1) {
		if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1) {
			printf("accept sever socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
			return 0;
		}
		
		n = recv(connfd, buf, MAXLINE, 0);
		buf[n] = '\n';
		printf("receive message from clinet: %s\n", buf);
		
		close(connfd);
	}
	close(listenfd);
	return 0;
	
}

client.cpp

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

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv) {
	int socketfd, n;
	char recvline[MAXLINE], sendline[MAXLINE];
	
	struct sockaddr_in severaddr;	// ip address of server
	
	if (argc != 2) {
		printf("usage: ./client <ipadress>\n");
		return 0;
	}
	
	
	// socket init
	if ((socketfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
		printf("create client socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		return 0;
	}
	
	memset(&severaddr, 0, sizeof(severaddr));
	severaddr.sin_family = AF_INET;
	severaddr.sin_port = htons(6666);
	
	if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &severaddr.sin_addr) < 0) {
		printf("inet_pton error for: %s\n", argv[1]);
		return 0;
	}

	if (connect(socketfd, (struct sockaddr*)&severaddr, sizeof(severaddr)) < 0) {
		printf("connect error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		return 0;
	}

	printf("send message to sever: \n");
	fgets(sendline, 4096, stdin);
	
	if (send(socketfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0) {
		printf("send message error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		return 0;
	}
	
	close(socketfd);
	return 0;
	
	
}

makefile:

all:server client
server:server.o
	g++ -g -o server server.o
client:client.o
	g++ -g -o client client.o
server.o:server.cpp
	g++ -g -c server.cpp
client.o:client.cpp
	g++ -g -c client.cpp
clean:all
	rm all

执行方法：
（1）使用make命令编译
（2）在终端输入 ./server ，以此开启服务器（必须要先开启服务器）
（3）新打开一个终端，输入 ./client 127.0.0.1