套接字编程 ---- TCP协议

Posted 2020-07-10

一、套接字（socket）

    套接字socket: ip地址 + port端口号。在TCP/IP协议中,它唯一标识网络通讯中的一个进程。

    在TCP协议中,建立连接的两个进程各自有一个socket来标识,那么这两个socket组成的socketpair就唯一标识一个连接。

    socket本身有“插座”的意思,因此用来描述网络连接的 一对一关系。

    TCP/IP协议规定,网络数据流应采用 大端字节序,即 （内存）低地址高字节（数据）。

 

二、TCP_SOCKET 相关

TCP 协议  ----  基于 字节流   ---  SOCK_STREAM 

IPv4地址格式定义在netinet/in.h中,IPv4地址: sockaddr_in结构体,包括16位端口号和32位IP地址

h表示host,n表示network,l表示32位长整数,s表示16位短整数。

#include <sys/types.h>  

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol); //创建套接字

    //domain: 底层通信所使用的协议   AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）、AF_UNIX 

    //type: 协议实现的方式  SOCK_STREAM 有序的、可靠的、双向的和基于连接的字节流                      //protocol: 套接口所用的协议。前面两个参数设定后，这儿可用0指定，表示缺省。

返回值：成功 new socket的描述符，失败 -1

int bind(int sockfd, const struct sockaddr  *addr,socklen_t  addrlen);//绑定

int listen(int sockfd, int backlog); //监听 

     // sockfd：已经建立的socket编号（描述符）   SOCK_STREAM     SOCK_DGRAM

     // backlog: 连接请求队列的最大长度

返回值：成功 0，失败 -1

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);//阻塞等待

返回值：成功  非负整数的accept socket的描述符，失败 -1

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

返回值：连接/绑定成功 0，失败 -1

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); 

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

三、TCP协议 通讯流程

   1、服务器：调用socket()、bind()、listen() 完成初始化后,调用accept()阻塞等待,处于监听端口的状态。

      客户端：调用socket()初始化后,调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答,服务器应答一个SYN-ACK段,客户端收到后从connect()返回,同时应答一个ACK段,服务器收到后从accept()返回。

   2、数据传输的过程

    建立连接后,TCP协议提供全双工的通信服务,但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主 动发起请求,服务器被动处理请求,一问一答的方式。因此,服务器从accept()返回后立刻调read(),socket就像读管道一样,如果没有数据到达就阻塞等待,这时客户端调用write()发送 请求给服务器,服务器收到后从read()返回,对客户端的请求进行处理,在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答,服务器调用write()将处理结果发回给客户端,再次调用read()阻塞等待下一条请求,客户端收到后从read()返回,发送下一条请求,如此循环下去。

    如果客户端没有更多的请求了,就调用close()关闭连接,就像写端关闭的管道一样,服务器的read()返回0,这样服务器就知道客户端关闭了连接,也调用close()关闭连接。注意,任何一方调用close()后,连接的两个传输方向都关闭,不能再发送数据了。如果一方调用shutdown()则连接处于半关闭状态,仍可接收对方发来的数据。

四、TCP socket API实例

//tcp_server.cpp

#include<iostream>
using namespace std;

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

const int g_backlog=5;


void usage(string _proc)
{
	cout<<"Usage:"<<_proc<<"[ip][port]"<<endl;
}
static int startup(const string &ip,const int &port) //服务器初始化
{
	int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建套接字
	if(sock < 0)
	{
		cout<<strerror(errno)<<endl;
		exit(1);
	}
	struct sockaddr_in local;//填充本地信息
	local.sin_family=AF_INET;
	local.sin_port=htons(port);
	local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip.c_str());
	
	if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0)//绑定
	{
		cout<<strerror(errno)<<endl;
		exit(2);
	}	
	if(listen(sock,g_backlog) < 0)//监听
	{
		cout<<strerror(errno)<<endl;
		exit(3);
	}
	return sock;
}
void *thread_run(void *arg)
{
	char buf[1024];
	int sock=(int)arg;
	while(1)
	{
		memset(buf,‘\0‘,sizeof(buf));
		ssize_t _size = read(sock,buf,sizeof(buf)-1);
		if(_size > 0)//read success
		{
			buf[_size] = ‘\0‘;
		}
		else if(_size == 0)//close connection
		{
			cout<<"client  close..."<<endl;
			break;
		}
		else
		{
			cout<<strerror(errno)<<endl;
		}
		cout<<"Client# "<<buf<<endl;
	}
	close(sock);
	return NULL;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc != 3)
	{
		usage(argv[0]);
		exit(1);
	}
	string ip = argv[1];
	int port = atoi(argv[2]);
	int listen_sock=startup(ip,port);

	struct sockaddr_in client;
	socklen_t len=sizeof(client);
	client.sin_family = AF_INET;
	client.sin_port = htons(port);
	client.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());

	while(1)
	{
		int new_sock=accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&client,&len);//阻塞等待
		if(new_sock < 0)
		{
			cout<<strerror(errno)<<endl;
			continue;
		}
		cout<<"Get a connect..."<<"sock: "<<new_sock<<"ip: "<<inet_ntoa(client.sin_addr)			<<"port: "<<ntohs(client.sin_port);
	}
#ifdef _V1_
	char buf[1024];
	while(1)
	{
		ssize_t _size = read(new_sock,buf,sizeof(buf)-1);
		if(_size > 0)//read success
		{
			buf[_size] = ‘\0‘;
		}
		else if(_size == 0)//client close 
		{}
		else
		{
			cout<<strerror(errno)<<endl;
		}
		cout<<"Client#  "<<buf<<endl;
	}
#elif _V2_
	cout<<"V2"<<endl;
	pid_t id=fork();
	if(id < 0)
	{
		cout<<strerror(errno)<<endl;
		exit(1);
	}
	else if(id == 0)//child
	{
		string _client=inet_ntoa(client.sin_addr);
		close(listen_sock);
		char buf[1024];
		while(1)
		{
			memset(buf,‘\0‘,sizeof(buf));
			ssize_t _size = read(new_sock,buf,sizeof(buf)-1);
			if(_size > 0)//read success
			{
				buf[_size] = ‘\0‘;
			}
			else if(_size == 0)//client close 
			{
				cout<<_client<<"close..."<<endl;
				break;
			}
			else
			{
				cout<<strerror(errno)<<endl;
			}
			cout<<_client<<"# "<<buf<<endl;
		}
		close(new_sock);
		exit(0);
	}
	else //father
	{
		close(new_sock);
	}
#elif _V3_
	cout<<"V3"<<endl;
	pthread_t tid;
	pthread_create(&tid,NULL,thread_run,(void*)argc);
	pthread_detach(tid);
#else
	cout<<"defauult"<<endl;
#endif
	
	return 0;
}

//tcp_client.cpp

#include<iostream>
using namespace std;
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<string>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
	
void usage(string _proc)
{
	cout<<_proc<<"[remote ip][remote port]"<<endl;
}
int main(int argc,char *argv[]) //tcp_client.cpp
{
	if(argc != 3)
	{
		usage(argv[0]);
		exit(1);
	}
	string r_ip = argv[1];
	int r_port = atoi(argv[2]);
	int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(sock < 0)
	{
		cout<<strerror(errno)<<endl;
		exit(1);
	}
	struct sockaddr_in remote;
	remote.sin_family = AF_INET;
	remote.sin_port = htons(r_port);
	remote.sin_addr.s_addr = inet_addr(r_ip.c_str());

	int ret = connect(sock,(struct sockaddr*)&remote,sizeof(remote));
	if(ret < 0)
	{
		cout<<strerror(errno)<<endl;	
	}
	string msg;
	while(1)
	{
		cout<<"Please Enter: ";
		cin>>msg;
		write(sock,msg.c_str(),msg.size());
	}
	return 0;
}

//Makefile

.PHONY:all
all:tcp_server tcp_client

tcp_server:tcp_server.cpp
	g++ -o [email protected] $^ -lpthread -D_V3_
tcp_client:tcp_client.cpp
	g++ -o [email protected] $^

.PHONY:clean
clean:
	rm -f tcp_server tcp_client

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