网络编程学习笔记——TCP网络编程

网络编程常用函数

• socket()　创建套接字
• bind()　绑定本机地址和端口
• connect()　建立连接
• listen()　设置监听端口
• accept()　接受TCP连接
• recv(), read(), recvfrom()　数据接收
• send(), write(), sendto()　数据发送
• close(), shutdown()　关闭套接字

1、socket()函数

int socket (int domain, int type, int protocol);

• domain 是地址族
  • PF_INET IPv4 Internet protocols ip(7) // internet 协议
  • PF_UNIX IPv6 Internet protocols ipv6(7) // unix internal协议
  • PF_NS Local communication unix(7) // Xerox NS协议
  • PF_IMPLINK Low level packet interface packet(7)// Interface Message协议
• type // 套接字类型
  • SOCK_STREAM // 流式套接字
  • SOCK_DGRAM // 数据报套接字
  • SOCK_RAW //原始套接字
• protocol 参数通常置为0

地址相关的数据结构

• 通用地址结构

  • struct sockaddr
    {    u_short  sa_family;    // 地址族, AF_xxxchar  sa_data[14];     // 14字节协议地址
    };
    

• Internet协议地址结构

  • struct sockaddr_in
    {           u_short sin_family;		// 地址族, AF_INET，2 bytesu_short sin_port;      	// 端口，2 bytesstruct in_addr sin_addr;	// IPV4地址，4 bytes 	char sin_zero[8];			// 8 bytes unused，作为填充
    }; 
    

• IPv4地址结构

  • // internet address  
    struct in_addr
    {in_addr_t  s_addr;            // u32 network address 
    };
    

返回值

• RETURN VALUEOn  success,  a  file  descriptor  for  the new socket is returned.  Onerror, -1 is returned, and errno is set appropriately.
  

成功时返回文件描述符，出错时返回为-1

2、bind()函数

int bind (int sockfd, struct sockaddr* addr, int addrLen);

• sockfd 由socket() 调用返回

• addr 是指向 sockaddr_in 结构的指针，包含本机IP 地址和端口号（struct sockaddr的结构体变量的地址）

  • struct sockaddr_in

  • u_short sin_family // protocol family 
    u_short sin_port     // port number 
    struct in_addr  sin_addr  //IP address (32-bits)4字节
    

• addrLen : sizeof (struct sockaddr_in)（地址长度）

地址结构的一般用法：

• 定义一个struct sockaddr_in类型的变量并清空

  • struct sockaddr_in myaddr;
    memset(&myaddr, 0, sizeof(myaddr));
    

• 填充地址信息

  • myaddr.sin_family = PF_INET;
    myaddr.sin_port = htons(8888); 
    myaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(“192.168.1.100”);
    

• 将该变量强制转换为struct sockaddr类型在函数中使用

  • bind(listenfd, (struct sockaddr*)(&myaddr), sizeof(myaddr));
    

地址转换函数：

• unsigned long inet_addr(char *address);

  • address是以’\0’结尾的点分IPv4字符串。该函数返回32位的地址。如果字符串包含的不是合法的IP地址，则函数返回-1。例如：

    struct in_addr addr；
    addr.s_addr = inet_addr(" 192.168.1.100 ");
    

• char* inet_ntoa(struct in_addr address);

  • address是IPv4地址结构，函数返回一指向包含点分IP地址的静态存储区字符指针。如果错误则函数返回NULL

代码举例：

#include "net.h"int main(void)
{int fd = -1;struct sockaddr_in sin;/* 1. 创建socket fd*/if( (fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror("socket");exit(1);}/*2. 绑定 *//*2.1 填充struct sockaddr_in结构体变量 */bzero(&sin,sizeof(sin));sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons(SERV_PORT); //网络字节序的端口号
#if 0sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERV_IP_ADDR); 
#elseif( inet_pton(AF_INET, SERV_IP_ADDR, (void *)&sin.sin_addr) != 1) {perror("inet_pton");exit(1);}
#endif	/*2.2 绑定 */	if( bind(fd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin)) < 0 ) {perror("bind");exit(1);}
}

如果是IPV6的编程，要使用struct sockddr_in6结构体（详细情况请参考man 7 ipv6）,通常更通用的方法可以通过struct sockaddr_storage来编程

3、listen()

int listen (int sockfd, int backlog);把主动套接字变成被动套接字

• sockfd:监听连接的套接字（通过socket()函数拿到的fd）
• backlog同时允许几路客户端和服务器进行正在连接的过程（正在三次握手）
  一般填5，测试得知，ARM最大为8
  • 指定了正在等待连接的最大队列长度，它的作用在于处理可能同时出现的几个连接请求。
  • DoS（拒绝服务）攻击即利用了这个原理，非法的连接占用了全部的连接数，造成正常的连接请求被拒绝。
• 返回值： 0 或 -1
• 完成listen()调用后，socket变成了监听socket(listening socket)。

内核中服务器的套接字fd会维护2个链表：

• 正在三次握手的的客户端链表（数量=2*backlog+1）
• 已经建立好连接的客户端链表（已经完成３次握手分配好了newfd）
• 比如：listen(fd, 5); //表示系统允许11(=2*5+1)个客户端同时进行三次握手

返回值：

• RETURN VALUEOn success, zero is returned. On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.
  

4、accept()

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen) ;（阻塞等待客户端连接请求）

• 返回值：已建立好连接的套接字或-1

• 头文件

  • #include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h> 
    

• sockfd : 监听套接字（经过前面socket()创建并通过bind(),listen()设置过的fd）

• addr : 对方地址（获取连接过来的客户的信息）

• addrlen：地址长度（获取连接过来的客户的信息）

listen()和accept()是TCP服务器端使用的函数

返回值

•  RETURN VALUEOn success, these system calls return a nonnegative integer that is a descriptor for the accepted socket. On  error, -1 is returned, and errno is set appropriately.
  

• 成功时返回已经建立好连接的新的newfd

---

代码举例：

创建文件net.h

#ifndef __MAKEU_NET_H__
#define __MAKEU_NET_H__#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>			/* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>			/* superset of previous */#define SERV_PORT 5001
#define SERV_IP_ADDR "192.168.7.246"
#define BACKLOG 5#define QUIT_STR "quit"#endif

创建服务器文件server.c

#include "net.h"int main (void)
{int fd = -1;struct sockaddr_in sin;/* 1. 创建socket fd */if ((fd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror ("socket");exit (1);}/*2. 绑定 *//*2.1 填充struct sockaddr_in结构体变量 */bzero (&sin, sizeof (sin));sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons (SERV_PORT);	//网络字节序的端口号/*优化1: 让服务器程序能绑定在任意的IP上 */
#if 1sin.sin_addr.s_addr = htonl (INADDY_ANY);
#elseif (inet_pton (AF_INET, SERV_IP_ADDR, (void *) &sin.sin_addr) != 1) {perror ("inet_pton");exit (1);}
#endif/*2.2 绑定 */if (bind (fd, (struct sockaddr *) &sin, sizeof (sin)) < 0) {perror ("bind");exit (1);}/*3. 调用listen()把主动套接字变成被动套接字 */if (listen (fd, BACKLOG) < 0) {perror ("listen");exit (1);}printf ("Server starting....OK!\n");int newfd = -1;/*4. 阻塞等待客户端连接请求 */
#if 0newfd = accept (fd, NULL, NULL);if (newfd < 0) {perror ("accept");exit (1);}
#else/*优化2：通过程序获取刚建立连接的socket的客户端的IP地址和端口号 */struct sockaddr_in cin;socklen_t addrlen = sizeof (cin);if ((newfd = accept (fd, (struct sockaddr *) &cin, &addrlen)) < 0) {perror ("accept");exit (1);}char ipv4_addr[16];if (!inet_ntop (AF_INET, (void *) &cin.sin_addr, ipv4_addr, sizeof (cin))) {perror ("inet_ntop");exit (1);}printf ("Clinet(%s:%d) is connected!\n", ipv4_addr, ntons (cin.sin_port));#endif/*5. 读写 *///..和newfd进行数据读写int ret = -1;char buf[BUFSIZ];while (1) {bzero (buf, BUFSIZ);do {ret = read (newfd, buf, BUFSIZ - 1);} while (ret < 0 && EINTR == errno);if (ret < 0) {perror ("read");exit (1);}if (!ret) {				//对方已经关闭break;}printf ("Receive data: %s\n", buf);if (!strncasecmp (buf, QUIT_STR, strlen (QUIT_STR))) {	//用户输入了quit字符printf ("Client is exiting!\n");break;}}close (newfd);close (fd);return 0;
}

5、connect()

int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);（客户端的连接函数）

• 返回值：0 或 -1

• 头文件：

  • #include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h> 
    

• sockfd : socket返回的文件描述符（通过socket()函数拿到的fd）

• serv_addr : 服务器端的地址信息（struct sockaddr的结构体变量的地址）

• addrlen : serv_addr的长度（地址长度）

connect()是客户端使用的系统调用。

返回值：

• RETURN VALUEIf the connection or binding succeeds, zero is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.
  

---

代码举例：创建文件client1.c

#include "net.h"int main (void)
{int fd = -1;struct sockaddr_in sin;/* 1. 创建socket fd */if ((fd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror ("socket");exit (1);}/*2.连接服务器 *//*2.1 填充struct sockaddr_in结构体变量 */bzero (&sin, sizeof (sin));sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons (SERV_PORT);	//网络字节序的端口号
#if 0sin.sin_addr.s_addr = inet_addr (SERV_IP_ADDR);
#elseif (inet_pton (AF_INET, SERV_IP_ADDR, (void *) &sin.sin_addr) != 1) {perror ("inet_pton");exit (1);}
#endifif (connect (fd, (struct sockaddr *) &sin, sizeof (sin)) < 0) {perror ("connect");exit (1);}printf ("Client staring...OK!\n");/*3. 读写数据 */char buf[BUFSIZ];int ret = -1;while (1) {bzero (buf, BUFSIZ);if (fgets (buf, BUFSIZ - 1, stdin) == NULL) {continue;}do {ret = write (fd, buf, strlen (buf));} while (ret < 0 && EINTR == errno);if (!strncasecmp (buf, QUIT_STR, strlen (QUIT_STR))) {	//用户输入了quit字符printf ("Client is exiting!\n");break;}}/*4.关闭套接字 */close (fd);
}

6、send()/write()

ssize_t send(int socket, const void *buffer, size_t length, int flags);

• 返回值：
  • 成功：实际发送的字节数
  • 失败：-1, 并设置errno
• 头文件：
  • #include <sys/socket.h>
• buffer : 发送缓冲区首地址
• length : 发送的字节数
• flags : 发送方式（通常为0）

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

• send()比write多一个参数flags：
  • flags：
    • 一般填写0，此时与write（）作用一样
    • MSG_DONTWAIT：Enables nonblocking operation(非阻塞标志)
    • MSG_OOB：用于发送TCP类型的带外数据（out-of-band）

read()和write()经常会代替recv()和send()，通常情况下，看程序员的偏好

使用read()/write()和recv()/send()时最好统一

7、recv()/read()

ssize_t recv(int socket, const void *buffer, size_t length, int flags);

• 返回值：
  • 成功：实际接收的字节数
  • 失败：-1, 并设置errno
• 头文件：
  • #include <sys/socket.h>
• buffer : 发送缓冲区首地址
• length : 发送的字节数
• flags : 接收方式（通常为0）

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

flags：

• 一般填写0，此时和read（）作用相同

特殊标志：

• MSG_DONTWAIT：Enables nonblocking operation(非阻塞标志)
• MSG_OOB：用于发送TCP类型的带外数据（out-of-band）
• MSG_PEEK：

8、套接字的关闭

int close(int sockfd);

• 关闭双向通讯

int shutdown(int sockfd, int howto);

• TCP连接是双向的(是可读写的)，当我们使用close时,会把读写通道都关闭，有时侯我们希望只关闭一个方向，这个时候我们可以使用shutdown。
• 针对不同的howto，系统回采取不同的关闭方式。

shutdown()的howto参数

• howto = 0
  • 关闭读通道，但是可以继续往套接字写数据。
• howto = 1
  • 和上面相反，关闭写通道。只能从套接字读取数据。
• howto = 2
  • 关闭读写通道，和close()一样

9、TCP循环服务器模型

socket(...);
bind(...);
listen(...);
while(1)
{accept(...);process(...);close(...);
}

TCP服务器一般很少用

10、TCP多线程服务器

socket(...);
bind(...);
listen(...);
while(1)
{accpet(...);if((pthread_create(...))!==-1)   {process(...);close(...);exit(...);   }   close(...);
}

多线程服务器是对多进程的服务器的改进

代码举例：net.h

#ifndef __MAKEU_NET_H__
#define __MAKEU_NET_H__#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>			/* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>			/* superset of previous */#define SERV_PORT 5001
#define SERV_IP_ADDR "192.168.7.246"
#define BACKLOG 5#define QUIT_STR "quit"#endif

server.c

#include <pthread.h>
#include "net.h"void cli_data_handle (void *arg);int main (void)
{int fd = -1;struct sockaddr_in sin;/* 1. 创建socket fd */if ((fd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror ("socket");exit (1);}/*优化4： 允许绑定地址快速重用 */int b_reuse = 1;setsockopt (fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &b_reuse, sizeof (int));/*2. 绑定 *//*2.1 填充struct sockaddr_in结构体变量 */bzero (&sin, sizeof (sin));sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons (SERV_PORT);	//网络字节序的端口号/*优化1: 让服务器程序能绑定在任意的IP上 */
#if 1sin.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY);
#elseif (inet_pton (AF_INET, SERV_IP_ADDR, (void *) &sin.sin_addr) != 1) {perror ("inet_pton");exit (1);}
#endif/*2.2 绑定 */if (bind (fd, (struct sockaddr *) &sin, sizeof (sin)) < 0) {perror ("bind");exit (1);}/*3. 调用listen()把主动套接字变成被动套接字 */if (listen (fd, BACKLOG) < 0) {perror ("listen");exit (1);}printf ("Server starting....OK!\n");int newfd = -1;/*4. 阻塞等待客户端连接请求 *//* 优化： 用多进程/多线程处理已经建立号连接的客户端数据 */pthread_t tid;struct sockaddr_in cin;socklen_t addrlen = sizeof (cin);while (1) {if ((newfd = accept (fd, (struct sockaddr *) &cin, &addrlen)) < 0) {perror ("accept");exit (1);}char ipv4_addr[16];if (!inet_ntop (AF_INET, (void *) &cin.sin_addr, ipv4_addr, sizeof (cin))) {perror ("inet_ntop");exit (1);}printf ("Clinet(%s:%d) is connected!\n", ipv4_addr, htons (cin.sin_port));pthread_create (&tid, NULL, (void *) cli_data_handle, (void *) &newfd);}close (fd);return 0;
}void cli_data_handle (void *arg)
{int newfd = *(int *) arg;printf ("handler thread: newfd =%d\n", newfd);//..和newfd进行数据读写int ret = -1;char buf[BUFSIZ];while (1) {bzero (buf, BUFSIZ);do {ret = read (newfd, buf, BUFSIZ - 1);} while (ret < 0 && EINTR == errno);if (ret < 0) {perror ("read");exit (1);}if (!ret) {				//对方已经关闭break;}printf ("Receive data: %s\n", buf);if (!strncasecmp (buf, QUIT_STR, strlen (QUIT_STR))) {	//用户输入了quit字符printf ("Client(fd=%d) is exiting!\n", newfd);break;}}close (newfd);}

client.c

/*./client serv_ip serv_port */
#include "net.h"void usage (char *s)
{printf ("\n%s serv_ip serv_port", s);printf ("\n\t serv_ip: server ip address");printf ("\n\t serv_port: server port(>5000)\n\n");
}int main (int argc, char **argv)
{int fd = -1;int port = -1;struct sockaddr_in sin;if (argc != 3) {usage (argv[0]);exit (1);}/* 1. 创建socket fd */if ((fd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror ("socket");exit (1);}port = atoi (argv[2]);if (port < 5000) {usage (argv[0]);exit (1);}/*2.连接服务器 *//*2.1 填充struct sockaddr_in结构体变量 */bzero (&sin, sizeof (sin));sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons (port);	//网络字节序的端口号
#if 0sin.sin_addr.s_addr = inet_addr (SERV_IP_ADDR);
#elseif (inet_pton (AF_INET, argv[1], (void *) &sin.sin_addr) != 1) {perror ("inet_pton");exit (1);}
#endifif (connect (fd, (struct sockaddr *) &sin, sizeof (sin)) < 0) {perror ("connect");exit (1);}printf ("Client staring...OK!\n");/*3. 读写数据 */char buf[BUFSIZ];int ret = -1;while (1) {bzero (buf, BUFSIZ);if (fgets (buf, BUFSIZ - 1, stdin) == NULL) {continue;}do {ret = write (fd, buf, strlen (buf));} while (ret < 0 && EINTR == errno);if (!strncasecmp (buf, QUIT_STR, strlen (QUIT_STR))) {	//用户输入了quit字符printf ("Client is exiting!\n");break;}}/*4.关闭套接字 */close (fd);
}

11、TCP多进程并发服务器

socket(...);
bind(...);
listen(...);
while(1){accpet(...);if(fork(...) == 0){process(...);close(...);exit(...);}close(...);
}

TCP并发服务器的思想是每一个客户机的请求并不由服务器直接处理，而是由服务器创建一个子进程来处理。

代码举例：创建文件net.h

#ifndef __MAKEU_NET_H__
#define __MAKEU_NET_H__#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>			/* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>			/* superset of previous */#define SERV_PORT 5001
#define SERV_IP_ADDR "192.168.7.246"
#define BACKLOG 5#define QUIT_STR "quit"#endif

server.c

#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include "net.h"void cli_data_handle (void *arg);void sig_child_handle(int signo)
{if(SIGCHLD == signo) {waitpid(-1, NULL,  WNOHANG);}
}
int main (void)
{int fd = -1;struct sockaddr_in sin;signal(SIGCHLD, sig_child_handle);	/* 1. 创建socket fd */if ((fd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror ("socket");exit (1);}/*优化4： 允许绑定地址快速重用 */int b_reuse = 1;setsockopt (fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &b_reuse, sizeof (int));/*2. 绑定 *//*2.1 填充struct sockaddr_in结构体变量 */bzero (&sin, sizeof (sin));sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons (SERV_PORT);	//网络字节序的端口号/*优化1: 让服务器程序能绑定在任意的IP上 */
#if 1sin.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY);
#elseif (inet_pton (AF_INET, SERV_IP_ADDR, (void *) &sin.sin_addr) != 1) {perror ("inet_pton");exit (1);}
#endif/*2.2 绑定 */if (bind (fd, (struct sockaddr *) &sin, sizeof (sin)) < 0) {perror ("bind");exit (1);}/*3. 调用listen()把主动套接字变成被动套接字 */if (listen (fd, BACKLOG) < 0) {perror ("listen");exit (1);}printf ("Server starting....OK!\n");int newfd = -1;/*4. 阻塞等待客户端连接请求 */struct sockaddr_in cin;socklen_t addrlen = sizeof (cin);while(1) {pid_t pid = -1;if ((newfd = accept (fd, (struct sockaddr *) &cin, &addrlen)) < 0) {perror ("accept");break;}/*创建一个子进程用于处理已建立连接的客户的交互数据*/if((pid = fork()) < 0) {perror("fork");break;}if(0 == pid) {  //子进程中close(fd);char ipv4_addr[16];if (!inet_ntop (AF_INET, (void *) &cin.sin_addr, ipv4_addr, sizeof (cin))) {perror ("inet_ntop");exit (1);}printf ("Clinet(%s:%d) is connected!\n", ipv4_addr, ntohs(cin.sin_port));	cli_data_handle(&newfd);		return 0;	} else { //实际上此处 pid >0, 父进程中 close(newfd);}}		close (fd);return 0;
}void cli_data_handle (void *arg)
{int newfd = *(int *) arg;printf ("Child handling process: newfd =%d\n", newfd);//..和newfd进行数据读写int ret = -1;char buf[BUFSIZ];while (1) {bzero (buf, BUFSIZ);do {ret = read (newfd, buf, BUFSIZ - 1);} while (ret < 0 && EINTR == errno);if (ret < 0) {perror ("read");exit (1);}if (!ret) {				//对方已经关闭break;}printf ("Receive data: %s\n", buf);if (!strncasecmp (buf, QUIT_STR, strlen (QUIT_STR))) {	//用户输入了quit字符printf ("Client(fd=%d) is exiting!\n", newfd);break;}}close (newfd);}

client.c

/*./client serv_ip serv_port */
#include "net.h"void usage (char *s)
{printf ("\n%s serv_ip serv_port", s);printf ("\n\t serv_ip: server ip address");printf ("\n\t serv_port: server port(>5000)\n\n");
}int main (int argc, char **argv)
{int fd = -1;int port = -1;struct sockaddr_in sin;if (argc != 3) {usage (argv[0]);exit (1);}/* 1. 创建socket fd */if ((fd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror ("socket");exit (1);}port = atoi (argv[2]);if (port < 5000) {usage (argv[0]);exit (1);}/*2.连接服务器 *//*2.1 填充struct sockaddr_in结构体变量 */bzero (&sin, sizeof (sin));sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons (port);	//网络字节序的端口号
#if 0sin.sin_addr.s_addr = inet_addr (SERV_IP_ADDR);
#elseif (inet_pton (AF_INET, argv[1], (void *) &sin.sin_addr) != 1) {perror ("inet_pton");exit (1);}
#endifif (connect (fd, (struct sockaddr *) &sin, sizeof (sin)) < 0) {perror ("connect");exit (1);}printf ("Client staring...OK!\n");/*3. 读写数据 */char buf[BUFSIZ];int ret = -1;while (1) {bzero (buf, BUFSIZ);if (fgets (buf, BUFSIZ - 1, stdin) == NULL) {continue;}do {ret = write (fd, buf, strlen (buf));} while (ret < 0 && EINTR == errno);if (!strncasecmp (buf, QUIT_STR, strlen (QUIT_STR))) {	//用户输入了quit字符printf ("Client is exiting!\n");break;}}/*4.关闭套接字 */close (fd);
}