Linux 套接字通信笔记

Posted 2020-10-24 小困

• 协议

　　　　TCP（传输控制协议），UDP（用户数据包协议）为传输层重要的两大协议，向上为HTTP提供底层协议，向下为数据链路层封装底层接口，乃是通信重中之重。TCP是面向流传输的协议，在编程中形象化为Stream，如流水一般，读入读出。流的基本单位为byte。而UDP则为数据包协议，以数据包为单位。协议的细节不再赘述，本次提供两种协议的最基础套接字编程模型。

• API

　　　　服务端最基本的流程：新建套接字->绑定端口->开始监听....->建立连接->传输数据->关闭连接

　　　　客户端最基本的流程：新建套接字->连接...->传输数据->关闭连接

#服务端
#这是新建套接字的API 第一个参数ARPA Internet地址格式，第二个参数是使用流协议，第三个参数是指定协议，并未遇到应用场景 通常 传0
int server_socketfd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0)
#这是绑定函数 绑定已申请的socket描述符到端口上，第二个参数是ip地址结构体指针，第三个是地址描述结构体的长度
bind(server_socketfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr)
#接受连接函数 意味开始监听 第一个参数是服务器套接字 第二个参数返回的是客户端连接的地址 第三个是地址长度
accept(server_socketfd, (struct sockaddr *)&remote_addr,&sin_size)

#客户端
#客户端连接函数 第一个参数是socket对象描述符，第二个是ip地址，第三个是ip地址的长度
connect(client_fd,(struct sockaddr *)&remote_addr, sizeof(struct sockaddr))

#io
#发送函数 第一个是发送的套接字描述符 第二个是内容 第三个是发送长度 第四个是flags 一般0
send(client_socketfd,"welcome to login\n",21,0)

• 完整程序

　　　　为了方便测试，我使用了C++和Java做一对交互程序，C++做服务器的时候就用Java做客户端，反之也有。

　　　　Linux socket API存在头文件sys/socket.h中，并且期间使用多个头文件的函数，大概使用的头文件如下。

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

　　　　TCP服务端Demo

#ifndef COMMUNICAITON_TCPSOCKET_H
#define COMMUNICAITON_TCPSOCKET_H
#include <stdio.h>
#include <memory.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#endif //COMMUNICAITON_TCPSOCKET_H
void tcpServerStart();

#include "TCPSocket.h"
const int bufferSize = 1024;

void tcpServerStart(){
    printf("server socket start init...\n");
    int server_socketfd;//服务器套接字
    int client_socketfd;//客户端套接字
    int port = 8000;
    struct sockaddr_in my_addr;//服务器网络地址结构
    struct sockaddr_in remote_addr;//虚拟网络地址结构
    socklen_t sin_size;//此处须运用长度定义类型 socketlen_t
    char buf[bufferSize];//数据缓冲区
    long sendLen = 0;//发送接收长度
    memset(&my_addr,0,sizeof(my_addr));//数据初始化
    my_addr.sin_family=AF_INET;//设置为IP通信
    my_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//服务器ip
    my_addr.sin_port=htons(port);//设置端口为8000

    /*创建服务器端套接字--IPv4协议，TCP协议*/
    if((server_socketfd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){
        perror("socket init error");
        return ;
    }
    /*将套接字绑定到服务器的网络地址上*/
    if(bind(server_socketfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr))<0){
        perror("bind socket error");
        return;
    }
    printf("server socket start listen ,port:%d",port);
    /*监听连接请求--监听队列长度为5*/
    listen(server_socketfd,5);

    sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);

    /*等待客户端连接请求到达*/
    client_socketfd=accept(server_socketfd, (struct sockaddr *)&remote_addr,&sin_size);
    if(client_socketfd < 0){
        perror("listen error");
        return;
    }
    printf("accept %s",inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));//打印客户端ip地址


    sendLen=send(client_socketfd,"welcome to login\n",21,0);//发送欢迎信息
    if(sendLen <= 0){
        perror("no send");
        return;
    }
    while(sendLen=recv(client_socketfd, buf, bufferSize, 0)>0){
        printf("accept msg===");
        printf("%s/n",buf);
    }
    close(client_socketfd);
    close(server_socketfd);


}

　　　　UDP服务端Demo

#ifndef COMMUNICAITON_UDPSOCKET_H
#define COMMUNICAITON_UDPSOCKET_H

#include <stdio.h>
#include <memory.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#endif //COMMUNICAITON_UDPSOCKET_H

void udpServerStart();

#include "UDPSocket.h"

const int bufSize = 1024;
void udpServerStart(){
    printf("udp server init...\n");
    int server_sockfd;
    int len;
    int port = 8000;
    struct sockaddr_in my_addr;
    struct sockaddr_in remote_addr;
    socklen_t sin_size;//此处使用其自定义的socklen属性
    char buf[bufSize];
    memset(&my_addr,0,sizeof(my_addr)); //数据初始化--清零
    my_addr.sin_family = AF_INET;
    my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    my_addr.sin_port = htons(port);

    /*创建服务器端套接字--IPv4协议，面向无连接通信，UDP协议*/
    if((server_sockfd=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0))<0){
        perror("create socket error");
        return;
    }
    /*将套接字绑定到服务器的网络地址上*/
    if(bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr))<0){
        perror("bind socket error");
        return;
    }
    sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
    printf("waiting for package");
    /*接收客户端的数据并将其发送给客户端--recvfrom是无连接的*/
    if((len=recvfrom(server_sockfd,buf,bufSize,0,(struct sockaddr *)&remote_addr,&sin_size))<0){
        perror("recv error");
        return;
    }
    printf("received packet from %s:\n",inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));
    printf("contents: %s\n",buf);
    close(server_sockfd);
}

　　　　其中有某些函数调用非socket API中，比如memset，inet_ntoa等。

　　　　TCP客户端 Demo

#ifndef COMMUNICAITON_TCPCLIENT_H
#define COMMUNICAITON_TCPCLIENT_H
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#endif //COMMUNICAITON_TCPCLIENT_H
void tcpClient();


#include "TCPClient.h"
const int bufSize = 1024;
void tcpClient(){
    int client_fd;
    int len;
    struct sockaddr_in remote_addr;
    char buf[bufSize];
    memset(&remote_addr,0, sizeof(remote_addr));
    remote_addr.sin_family=AF_INET;
    remote_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
    remote_addr.sin_port=htons(8000);

    /*创建客户端套接字--IPv4协议，面向连接通信，TCP协议*/
    if((client_fd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){
        perror("socket error");
        return;
    }
    /*将套接字绑定到服务器的网络地址上*/
    if(connect(client_fd,(struct sockaddr *)&remote_addr, sizeof(struct sockaddr))<0){
        perror("connect error");
        return;
    }
    printf("connected to server\n");
    len=recv(client_fd,buf,bufSize,0);
    printf("get msg :%s",buf);
    close(client_fd);

}

　　　　UDP客户端 Demo

#ifndef COMMUNICAITON_UDPCLIENT_H
#define COMMUNICAITON_UDPCLIENT_H
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#endif //COMMUNICAITON_UDPCLIENT_H

void udpClient();

/*
 * 向本地（localhost） 8000端口发送一个数据包
 */
const int buffSize = 1024;
void udpClient(){
    int client_sockfd;
    int len ;
    struct sockaddr_in remote_addr;
    int sin_size;
    char buf[buffSize];
    memset(&remote_addr,0, sizeof(remote_addr));
    remote_addr.sin_family=AF_INET;
    remote_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
    remote_addr.sin_port=htons(8000);

    /*创建客户端套接字--IPv4协议，面向无连接通信，UDP协议*/
    if((client_sockfd=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0))<0)
    {
        perror("socket not found");
        return;
    }
    stpcpy(buf,"this is a C++ udp client");
    printf("send msg :%s\n",buf);

    sin_size= sizeof(struct sockaddr_in);
    /*向服务器发送数据包*/
    if((len=sendto(client_sockfd,buf,strlen(buf),0,(struct sockaddr *)&remote_addr,sizeof(struct sockaddr)))<0){
        perror("send error");
        return;
    }
    close(client_sockfd);
}

　　　　用于对应的Java客户端/服务端(比较熟悉Java，用于测试）

public class TCPClient {
    public void tcpConnectReacServerFirst(String addr,int port){
        Socket socket = null;
        try{
            socket = new Socket(addr,port);
            InputStream ins = socket.getInputStream();
            OutputStream ous = socket.getOutputStream();
            BufferedReader bufReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(ins));
            String msg = bufReader.readLine();
            System.out.println("接到服务器信息："+msg);
            ous.write("hello server\n".getBytes());
            ous.flush();

            ins.close();
            ous.close();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            if(socket != null){
                if(socket.isClosed()){
                    try{
                        socket.close();
                    }catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();;
                    }
                }
            }
        }
    }

}

public class UDPClient {
    public void udpSender(String addr,int port){
        byte[] msg = "this is udp sender\n".getBytes();
        try{
            //数据包
            //数据包byte数组 数组长度 包目的ip地址 端口
            DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(msg,msg.length,InetAddress.getByName(addr),port);
            DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
            socket.send(datagramPacket);
            if(!socket.isClosed()){
                socket.close();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class TCPServer {
    public void tcpServerStart(int port){
        ServerSocket server = null;
        final String welcome = "welcome to login,Java TCP server!\n";
        try{
            server = new ServerSocket(port);
            Socket socket = server.accept();
            OutputStream ous = socket.getOutputStream();
            ous.write(welcome.getBytes());
            ous.close();
            socket.close();
            server.close();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class UDPServer {
    public void udpStartup(int port,int byteCount){
        System.out.println("udp server start ,port:"+port);
        try{
            InetAddress inet = InetAddress.getLoopbackAddress();
            DatagramSocket udp = new DatagramSocket(port);
            byte[] buf = new byte[byteCount];
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf,buf.length);

            udp.receive(packet);

            String getMsg = new String(buf,0,packet.getLength());

            System.out.println("收到客户端 "+packet.getAddress().getHostAddress()+" 发来信息:"+getMsg);

            udp.close();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

• 体会

　　　　C++在unix中形成了一种对对象的描述，或为句柄、或为fd，将其理解为Java中的socket对象类比一下，就容易理解了。而传入地址以及长度，应该是操作系统需要新建空间申请内存而用。总而言之，在传统通信程序中，socket的模型就是连接对象，其最大的应用就是如下

while(true){
   socket = accept();
   Thread handler = new Handler(socket);
   handler.start();
}

　　　　为此基础上优化，就是添加线程池，或者加请求队列。这种模式逻辑明了，编码简单，是最容易理解的编程模型。