基本套接字编程 -- tcp篇

Posted 2022-06-22 逆風的薔薇

1. Socket简介

Socket是进程通讯的一种方式，即调用这个网络库的一些API函数实现分布在不同主机的相关进程之间的数据交换。

几个定义：
（1）IP地址：即依照TCP/IP协议分配给本地主机的网络地址，两个进程要通讯，任一进程首先要知道通讯对方的位置，即对方的IP。
（2）端口号：用来辨别本地通讯进程，一个本地的进程在通讯时均会占用一个端口号，不同的进程端口号不同，因此在通讯前必须要分配一个没有被访问的端口号。
（3）连接：指两个进程间的通讯链路。
（4）半相关：网络中用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程：
（协议，本地地址，本地端口号）
这样一个三元组，叫做一个半相关,它指定连接的每半部分。
（4）全相关：一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议。也就是说，不可能通信的一端用TCP协议，而另一端用UDP协议。
因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识：（协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号） 这样一个五元组，叫做一个相关（association），即两个协议相同的半相关才能组合成一个合适的相关，或完全指定组成一连接。

2. 客户/服务器模式

在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器（Client/Server, C/S）模式，即客户向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。
客户/服务器模式的建立基于以下两点：
（1）首先，建立网络的起因是网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等，需要共享，从而造就拥有众多资源的主机提供服务，资源较少的客户请求服务这一非对等作用。
（2）其次，网间进程通信完全是异步的，相互通信的进程间既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区，因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系，为二者的数据交换提供同步，这就是基于客户/服务器模式的TCP/IP。

2.1 服务器端：

其过程是首先服务器方要先启动，并根据请求提供相应服务：
（1）打开一通信通道并告知本地主机，它愿意在某一公认地址上的某端口（如FTP的端口可能为21）接收客户请求；
（2）等待客户请求到达该端口；
（3）接收到客户端的服务请求时，处理该请求并发送应答信号。接收到并发服务请求，要激活一新进程来处理这个客户请求（如UNIX系统中用fork、exec）。新进程处理此客户请求，并不需要对其它请求作出应答。服务完成后，关闭此新进程与客户的通信链路，并终止。
（4）返回第（2）步，等待另一客户请求。
（5）关闭服务器

2.2 客户端：

（1）打开一通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口；
（2）向服务器发服务请求报文，等待并接收应答；继续提出请求......
（3）请求结束后关闭通信通道并终止。

从上面所描述过程可知：
（1）客户与服务器进程的作用是非对称的，因此代码不同。
（2）服务器进程一般是先启动的。只要系统运行，该服务进程一直存在，直到正常或强迫终止。

3. 基本TCP套接字编程

基于 TCP 的套接字编程的所有客户端和服务器端都是从调用socket 开始，它返回一个套接字描述符。客户端随后调用connect 函数，服务器端则调用 bind、listen 和accept 函数。套接字通常使用标准的close 函数关闭，但是也可以使用 shutdown 函数关闭套接字。

下图为 TCP套接字编程流程图：

4. 套接字函数

4.1 创建套接字──socket()

应用程序在使用套接字前，首先必须拥有一个套接字，系统调用socket()向应用程序提供创建套接字的手段，
其调用格式如下：
SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol);

该调用要接收三个参数：af、type、protocol。参数af指定通信发生的区域：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中仅支持AF_INET，它是网际网区域。因此，地址族与协议族相同。参数type 描述要建立的套接字的类型。
这里分三种：
（1）一是TCP流式套接字(SOCK_STREAM)提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地发送，且按发送顺序接收。内设流量控制，避免数据流超限；数据被看作是字节流，无长度限制。文件传送协议（FTP）即使用流式套接字。
（2）二是数据报式套接字(SOCK_DGRAM)提供了一个无连接服务。数据包以独立包形式被发送，不提供无错保证，数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。网络文件系统（NFS）使用数据报式套接字。
（3）三是原始式套接字(SOCK_RAW)该接口允许对较低层协议，如IP、ICMP直接访问。常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备。
参数protocol说明该套接字使用的特定协议，如果调用者不希望特别指定使用的协议，则置为0，使用默认的连接模式。根据这三个参数建立一个套接字，并将相应的资源分配给它，同时返回一个整型套接字号。因此，socket()系统调用实际上指定了相关五元组中的“协议”这一元。

4.2 指定本地地址──bind() 

当一个套接字用socket()创建后，存在一个名字空间(地址族)，但它没有被命名。bind()将套接字地址（包括本地主机地址和本地端口地址）与所创建的套接字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。
其调用格式如下：
int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);
参数s是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符(套接字号)。参数name 是赋给套接字s的本地地址（名字），其长度可变，结构随通信域的不同而不同。namelen表明了name的长度。如果没有错误发生，bind()返回0。否则返回SOCKET_ERROR。

4.3 建立套接字连接──connect()与accept()

这两个系统调用用于完成一个完整相关的建立，其中connect()用于建立连接。accept()用于使服务器等待来自某客户进程的实际连接。

connect()的调用格式如下：
int PASCAL FAR connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

参数s是欲建立连接的本地套接字描述符。参数name指出说明对方套接字地址结构的指针。对方套接字地址长度由namelen说明。
如果没有错误发生，connect()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。在面向连接的协议中，该调用导致本地系统和外部系统之间连接实际建立。
由于地址族总被包含在套接字地址结构的前两个字节中，并通过socket()调用与某个协议族相关。因此bind()和connect()无须协议作为参数。

accept()的调用格式如下：
SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);

参数s为本地套接字描述符，在用做accept()调用的参数前应该先调用过listen()。addr 指向客户方套接字地址结构的指针，用来接收连接实体的地址。addr的确切格式由套接字创建时建立的地址族决定。addrlen 为客户方套接字地址的长度（字节数）。如果没有错误发生，accept()返回一个SOCKET类型的值，表示接收到的套接字的描述符。否则返回值INVALID_SOCKET。

accept()用于面向连接服务器。参数addr和addrlen存放客户方的地址信息。调用前，参数addr 指向一个初始值为空的地址结构，而addrlen 的初始值为0；调用accept()后，服务器等待从编号为s的套接字上接受客户连接请求，而连接请求是由客户方的connect()调用发出的。当有连接请求到达时，accept()调用将请求连接队列上的第一个客户方套接字地址及长度放入addr 和addrlen，并创建一个与s有相同特性的新套接字号。新的套接字可用于处理服务器并发请求。

四个套接字系统调用，socket()、bind()、connect()、accept()，可以完成一个完全五元相关的建立。socket()指定五元组中的协议元，它的用法与是否为客户或服务器、是否面向连接无关。bind()指定五元组中的本地二元，即本地主机地址和端口号，其用法与是否面向连接有关：在服务器方，无论是否面向连接，均要调用bind()，若采用面向连接，则可以不调用bind()，而通过connect()自动完成。若采用无连接，客户方必须使用bind()以获得一个唯一的地址。

4.4 监听连接──listen() 

此调用用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。listen()需在accept()之前调用，
其调用格式如下：
int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);

参数s标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号，服务器愿意从它上面接收请求。backlog表示请求连接队列的最大长度，用于限制排队请求的个数，目前允许的最大值为5。如果没有错误发生，listen()返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。 listen()在执行调用过程中可为没有调用过bind()的套接字s完成所必须的连接，并建立长度为backlog的请求连接队列。
调用listen()是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。它在调用socket()分配一个流套接字，且调用bind()给s赋于一个名字之后调用，而且一定要在accept()之前调用。

4.5 数据传输──send()与recv() 

当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有send()和recv()。
send()调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上发送输出数据，格式如下：

int PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);

参数s为已连接的本地套接字描述符。buf 指向存有发送数据的缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否发送带外数据等。如果没有错误发生，send()返回总共发送的字节数。否则它返回SOCKET_ERROR。

recv()调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上接收输入数据，格式如下：

int PASCAL FAR recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);

参数s 为已连接的套接字描述符。buf指向接收输入数据缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否接收带外数据等。如果没有错误发生，recv()返回总共接收的字节数。如果连接被关闭，返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。

4.6 关闭套接字──close

close()关闭套接字s，并释放分配给该套接字的资源；如果s涉及一个打开的TCP连接，则该连接被释放。

5. TCP套接字编程实例

本例是利用以上基本函数编写的一个完整的TCP客户/服务器程序。完成一个回射服务器的功能： （1）客户从标准输入读入一行文本，并写给服务器； （2）服务器从网络读入这行文本，并回射给客户； （3）客户从网络输入读入这行文本，并显示在标准输出上。  实现流程如下图：

注：服务器接收到的客户链接，创建子进程处理操作；

config.h

/*
 * config.h 包含该tcp/ip套接字编程所需要的基本头文件，与server.c client.c位于同一目录下
*/

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

const int MAX_LINE = 2048;
const int PORT = 6000;
const int BACKLOG = 10;
const int LISTENQ = 6666;
const int MAX_CONNECT = 20;

server.c

/*
 * server.c为服务器端代码
*/

#include "config.h"

int main(int argc , char **argv)

	/*声明服务器地址和客户链接地址*/
	struct sockaddr_in servaddr , cliaddr;

	/*声明服务器监听套接字和客户端链接套接字*/
	int listenfd , connfd;
	pid_t childpid;

	/*声明缓冲区*/
	char buf[MAX_LINE];

	socklen_t clilen;

	/*(1) 初始化监听套接字listenfd*/
	if((listenfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0)) < 0)
	
		perror("socket error");
		exit(1);
	//if

	/*(2) 设置服务器sockaddr_in结构*/
	bzero(&servaddr , sizeof(servaddr));

	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //表明可接受任意IP地址
	servaddr.sin_port = htons(PORT);

	/*(3) 绑定套接字和端口*/
	if(bind(listenfd , (struct sockaddr*)&servaddr , sizeof(servaddr)) < 0)
	
		perror("bind error");
		exit(1);
	//if

	/*(4) 监听客户请求*/
	if(listen(listenfd , LISTENQ) < 0)
	
		perror("listen error");
		exit(1);
	//if

	/*(5) 接受客户请求*/
	for( ; ; )
	
		clilen = sizeof(cliaddr);
		if((connfd = accept(listenfd , (struct sockaddr *)&cliaddr , &clilen)) < 0 )
		
			perror("accept error");
			exit(1);
		//if

		//新建子进程单独处理链接
		if((childpid = fork()) == 0) 
		
			close(listenfd);
			//str_echo
			ssize_t n;
			char buff[MAX_LINE];
			while((n = read(connfd , buff , MAX_LINE)) > 0)
			
				write(connfd , buff , n);
			
			exit(0);
		//if
		close(connfd);
	//for
	
	/*(6) 关闭监听套接字*/
	close(listenfd);

client.c

/*
 * client.c为客户端代码
*/

#include "config.h"

/*readline函数实现*/
ssize_t readline(int fd, char *vptr, size_t maxlen)

	ssize_t	n, rc;
	char	c, *ptr;

	ptr = vptr;
	for (n = 1; n < maxlen; n++) 
		if ( (rc = read(fd, &c,1)) == 1) 
			*ptr++ = c;
			if (c == '\\n')
				break;	/* newline is stored, like fgets() */
		 else if (rc == 0) 
			*ptr = 0;
			return(n - 1);	/* EOF, n - 1 bytes were read */
		 else
			return(-1);		/* error, errno set by read() */
	

	*ptr = 0;	/* null terminate like fgets() */
	return(n);



int main(int argc , char ** argv)

	/*声明套接字和链接服务器地址*/
	int sockfd;
	struct sockaddr_in servaddr;

	/*判断是否为合法输入*/
	if(argc != 2)
	
		perror("usage:tcpcli <IPaddress>");
		exit(1);
	//if

	/*(1) 创建套接字*/
	if((sockfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0)) == -1)
	
		perror("socket error");
		exit(1);
	//if

	/*(2) 设置链接服务器地址结构*/
	bzero(&servaddr , sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons(PORT);
	if(inet_pton(AF_INET , argv[1] , &servaddr.sin_addr) < 0)
	
		printf("inet_pton error for %s\\n",argv[1]);
		exit(1);
	//if

	/*(3) 发送链接服务器请求*/
	if( connect(sockfd , (struct sockaddr *)&servaddr , sizeof(servaddr)) < 0)
	
		perror("connect error");
		exit(1);
	//if

	/*(4) 消息处理*/
	char sendline[MAX_LINE] , recvline[MAX_LINE];
	while(fgets(sendline , MAX_LINE , stdin) != NULL)	
	
		write(sockfd , sendline , strlen(sendline));

		if(readline(sockfd , recvline , MAX_LINE) == 0)
		
			perror("server terminated prematurely");
			exit(1);
		//if

		if(fputs(recvline , stdout) == EOF)
		
			perror("fputs error");
			exit(1);
		//if
	//while

	/*(5) 关闭套接字*/
	close(sockfd);

运行结果