第13章 TCP编程（1）_socket套接字

1. socket套接字

（1）套接字简介

 

　　①socket是一种通讯机制，它包含一整套的调用接口和数据结构的定义，它给应用进程提供了使用如TCP/UDP等网络协议进行网络通讯的手段。

　　②Linux中的网络编程通过socket接口实现。socket是一种特殊的IO，提供对应的文件描述符。

　　③一个完整的socket都有一个相关描述（协议、本地地址、本地端口、远程地址和远程端口等）。

　　④每一个套接字有一个本地的唯一socket，由操作系统分配。

（2）创建socket

头文件	#include <sys/socket.h>
函数	int socket(int domain, int type, int protocol);
参数	domain参数: 　　①AF_INET：   IPv4因特网域 　　②AF_INET6：  IPv6因特网域 　　③AF_UNIX：   unix域 　　④AF_UNSPEC： 未指定 type参数：  　　①SOCK_STREAM： 流式的套接字可以提供可靠的、面向连接的通讯流。它使用了TCP协议，TCP保证了数据传输的正确性和顺序性。 　　②SOCK_DGRAM：数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠及无差错。 　　③SOCK_RAW：原始套接字允许对低层协议（如IP或ICMP）直接访问，主要用于新的网络协议实现的测试等。 　　④SOCK_SEQPACKET： 长度固定、有序、可靠的面各连接报文传递。 protocol参数：通常为0，表示按给定的域和套接字类型选择默认协议。
功能	创建套接字
返回值	成功返回内核中消息队列的标识ID，出错返回-1
备注	套接字创建在内核中，若创建成功则返回内核文件描述表中的socket描述符。

2. 字节序、地址结构和IPv4地址族

（1）字节序

 

　　①不同体系结构的主机使用不同的字节序存储器来保存多字节整数。字节存储顺序不同，有的系统是高位在前，低位在后，而有的系统是低位在前，高位在后。

　　②字节序分为大端（高位存储于低地址，低位存储于高地址）和小端（高位存储于高地址，低位存储于低地址）

　　③网络协议使用网络字节序，即大端字节序。

（2）字节序转换函数

　　①uint32_t htonl(unit32_t hostlong); //将32位整数从主机字节序转为网络字节序

　　②uint16_t htons(unit16_t hostshort);//将16位整数从主机字节序转为网络字节序③uint32_t ntohl(unit32_t netlong); //将32位整数从网络字节序转为主机字节序　　

　　④uint16_t ntohs(unit16_t netshort);//将16位整数从网络字节序转为主机字节序

（3）通用地址结构

头文件	#include <sys/socket.h>
结构体	struct sockaddr{ 　　unsigned short sa_family;  //internet地址族，AF_XXX 　　char sa_data[14];          //14字节的协议地址 }
备注	①sa_data包含了一些远程电脑的地址、端口和套接字的数目，它里面的数据是杂溶在一起的。 ②sa_family一般来说，IPv4使用AF_INET。 ③在传递给需要地址结构的函数时，把指向该结构体的指针转换成(struct sockaddr*)传递进去。

（4）因特网地址结构（专用地址结构）

头文件	#include <sys/socket.h>
结构体	struct in_addr{   //其中的in指的是internet 　　in_addr_t  s_addr   //ipv4地址 } struct sockaddr_in{ 　　short int  sin_family;    //internet地址族，AF_XXX(主机字节序) 　　unsigned short int sin_port; //端口号，16位(网络字节序) 　　struct in_addr sin_addr;   //32位的IPv4地址(网络字节序) 　　unsigned char sin_zero[8]; //添0（为了格式对齐的填充位） }
备注	sockaddr和sockaddr_in这两个数据类型是等效的，可以相互转换，通常使用sockaddr_in更为方便。

（5）IPv4地址族和字符地址间的转换

头文件	#include <arp/inet.h>
函数1	const char* inet_ntop(int domain, const void* addr, char* str, socklen_t size);//网络字节地址转为点分十进制 返回：成功返回地址字符串指针，出错返回NULL
函数2	int inet_pton(int domain, const char* str, void* addr);//点分转网络 返回：成功返回1，无效格式返回0，出错返回-1
参数	domain：Internet地址族，如AF_INET addr： internet地址，32位IPv4地址（网络字节序） str： 地址字符串（点分十进制）指针 size： 地址字符串大小

（6）填写IPv4地址族结构体案例

struct sockaddr_in sin;      //定义一个sockaddr_in结构体
char buf[16];

memset(&sin, 0, sizeof(sin));
sin.sin_family = AF_INET;    //填写Internet地址族
sin.sin_port = htons((short)3001); //填写端口号（网络字节序）

//填充sin_addr
if(inet_pton(AF_INET, "192.168.2.1", &sin.sin_addr.s_addr) <=0){
    //错误处理
}

printf("%s
", inet_ntop(AF_INET, &sin.sin_addr.s_addr,buf, sizeof(buf)));

3. TCP编程模型

3.1 TCP通讯模型

 

（1）服务端调用序列

　　①调用socket函数创建套接字

　　②调用bind绑定本地地址和端口

　　③调用listen启动监听

　　④调用access从己连接队列中提取客户连接

　　⑤调用I/O函数（read/write）与客户端通讯

　　⑥调用close关闭套接字

（2）客户端调用序列

　　①调用socket函数创建套接字

　　②调用connect连接服务器端

　　③调用I/O函数（read/write）与服务器端通讯

　　④调用close关闭套接字

3.2 相关函数

（1）套接字与地址绑定

头文件	#include <sys/socket.h>
绑定地址	int bind(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t len); 返回：成功返回0，出错返回-1 特特地址：#define INADDR_ANY  (uint32_t)0x00000000 //响应主机上的任何一个可用的IP地址。
查找绑定到套接字的地址	int getsockname(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t alenp) 返回：成功返回0，出错返回-1
获取对方地址	int getpeername(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t alenp) 返回：成功返回0，出错返回-1

（2）建立连接

头文件	#include <sys/socket.h>
服务器端	①int listen(int sockfd, int backlog);//backlog为指定进行客户端连接排队的队列长度。 返回：成功返回0，出错返回-1 ②int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* len);
客户端	int connect(int sockfd, cosnt struct sockaddr* addr, socklen_t len) 返回：成功返回0，出错返回-1

【编程实验】获得服务器的时间

//time_tcp_server.c（服务端）

#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>
#include <signal.h>

/*获取服务器端的当前时间*
测试：telnet 127.0.0.1 xxxx 
      http://xxx.xxx.xxx.xxx:端口号
注意：演示时可关闭服务器的防火墙，防止端口被过滤
      #service iptables status     查看防火墙
      #service iptables stop       关闭防火墙
*/

int sockfd;
int bStop = 0;

void sig_handler(int signo)
{
    if(signo == SIGINT){
        bStop = 1;
        printf("server close
");

        exit(1);
    }
}

//显示客户端信息
void out_addr(struct sockaddr_in* addr)
{
    //将端口从网络字节序转换成主机字节序
    int port = ntohs(addr->sin_port);
    //获得IP地址
    char ip[16] ={0};
    //将ip地址从网络字节序转换成点分十分制
    inet_ntop(AF_INET, &addr->sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip));

    printf("Client: %s(%d) connected
", ip, port);
}

//服务程序
void do_service(int fd)
{
    //获得系统时间
    long t = time(0);
    char* s = ctime(&t);
    size_t size = strlen(s) * sizeof(char);

    //将服务器端获得的系统时间写回客户端
    if(write(fd, s, size) != size){
        perror("write error");
    }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc < 2){
        printf("usage: %s port
", argv[0]);
    }

    //按ctrl-c时中止服务端程序
    if(signal(SIGINT, sig_handler) == SIG_ERR){
        perror("signal sigint error");
        exit(1);
    }

    /*步骤1：创建socket(套接字)
     *注：socket创建在内核中，是一个结构体
     *AF_INET：IPv4
     *SOCK_STREAM：tcp协议
     */
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    /*步骤2：将sock和地址（包括ip、port）进行绑定*/
    struct sockaddr_in servAddr; //使用专用地址结构体
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
    //往地址中填入ip、port和Internet地址族类型
    servAddr.sin_family = AF_INET;//IPv4
    servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); //port
    servAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; //任一可用的IP

    if(bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) <0 ){
        perror("bind error");
        exit(1);
    }

    /*步骤3：调用listen函数启动监听
     *       通知系统去接受来自客户端的连接请求
     */
    if(listen(sockfd, 10) < 0){  //队列中最多允许10个连接请求
        perror("listen error");
        exit(1);
    }

    /*步骤4：调用accept函数，从请求队列中获取一个连接
     *       并返回新的socket描述符
     * */
    struct sockaddr_in clientAddr;
    socklen_t clientAddr_len = sizeof(clientAddr);
    while(!bStop){
        //如果没有客户端连接，调用此函数后会阻塞，直至获得一个客户端连接
        int fd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &clientAddr_len);
       
        if(fd < 0){
            perror("accept error");
            continue;
        }
        
        //输出客户端信息
        out_addr(&clientAddr);

        /*步骤5：调用IO函数(read/write)和客户端进行双向通信*/
        do_service(fd);
        
        /*步骤6： 关闭fd套接字*/
        close(fd);
    }

    close(sockfd);

    return 0;
}
/*输出结果
 * [root@localhost 13.TCP]# bin/time_tcp_server 8888                         
 * Client: 192.168.32.100(40672) connected
 * Client: 127.0.0.1(40608) connected
 * Client: 192.168.32.100(40674) connected
 */

//time_tcp_client.c（客户端）

#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <memory.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc < 3){
        printf("usage: %s ip port
", argv[0]);
        exit(1);
    }

    /*步骤1： 创建socket(套接字)*/
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sockfd < 0){
        perror("socket error");
    }

    //往servAddr中填入ip、port和地址族类型
    struct sockaddr_in servAddr;
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
    servAddr.sin_family = AF_INET;
    servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    //将ip地址转换成网络字节序后填入servAdd中
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &servAddr.sin_addr.s_addr);

    /*步骤2： 客户端调用connect函数连接到服务器端*/
    if(connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) < 0){
        perror("connect error");
        exit(1);
    }

    /*步骤3： 调用IO函数(read/write)和服务端进行双向通信*/
    char buffer[1024];
    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
    size_t size;
    if((size = read(sockfd, buffer, sizeof(buffer))) < 0){
        perror("read error");
    }

    if(write(STDOUT_FILENO, buffer, size) != size){
        perror("write error");
    }

    /*关闭套接字*/
    close(sockfd);
}
/*输出结果
 [root@localhost 13.TCP]# bin/time_tcp_client 127.0.0.1 8888
 Fri Mar 17 16:35:57 2017
 */