TCP/IP网络编程之网络编程和套接字

网络编程和套接字

网络编程又称为套接字编程，就是编写一段程序，使得两台连网的计算机彼此之间可以交换数据。那么，这两台计算机用什么传输数据呢？首先，需要物理连接，将一台台独立的计算机通过物理线路连接在一起，形成一个网络，使得数据可以通过物理介质进行传输，这一点我们不用过多去关注。我们只需要考虑，如何编写数据传输的程序。编写数据传输的数据，其实说难也难说简单也简单，说它简单，是因为操作系统为我们提供了“套接字”（socket）的部件，我们可以通过套接字完成数据在网络中的传输，实现两台计算机互相交换数据，即便我们并不懂socket的原理，这是它的简单之处。但是说它难，是如何使用socket编写高性能的数据传输程序，这是它的难点

那么，为什么要用“套接字”这个词呢？“套接字”包含连接的含义，就像我们把插头插到插座上就能获得电力供给，同样，为了与远程计算机进行数据传输，就需要连接到因特网，而编程中的“套接字”就是用来连接网络的工具　　

既然是传输数据，那么就有发送方和接收方，对于套接字来说，发送和接收是有区别的，我们先来讨论用于接收的套接字的创建过程

1.调用socket函数

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

　　

创建套接字，成功时返回文件描述符，失败时返回-1

2.调用bind函数

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);

　　

调用bind函数给套接字分配IP地址和端口，成功时返回0，失败时返回-1

3.调用listen函数

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

　　

将套接字转化为可接收连接的状态，成功时返回0，失败时返回-1

4.调用accept函数

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

　　

等待数据传输，成功时返回文件描述符，失败时返回-1

网络编程中接收连接请求的套接字创建过程如下：

1. 调用socket函数创建套接字
2. 调用bind函数分配IP地址和端口号
3. 调用listen函数转为可接收请求状态
4. 调用accept函数受理连接请求

编写服务端/客户端套接字

服务器端（server）是能够受理连接请求的程序，下面构建服务端程序以验证之前提到的函数调用过程，该服务端程序收到连接请求后向请求者返回“Hello world!”答复

hello_server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock;
    int clnt_sock;

    struct sockaddr_in serv_addr;
    struct sockaddr_in clnt_addr;
    socklen_t clnt_addr_size;

    char message[] = "Hello world!";

    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s <port>
", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //<1>
    if (serv_sock == -1)
        error_handling("sock() error");

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1) //<2>
        error_handling("bind() error");

    if (listen(serv_sock, 5) == -1) //<3>
        error_handling("listen() error");

    clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
    clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_addr, &clnt_addr_size); //<4>
    if (clnt_sock == -1)
        error_handling("accept() error");

    write(clnt_sock, message, sizeof(message)); //<5>
    close(clnt_sock);
    close(serv_sock);

    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('
', stderr);
    exit(1);
}

　　

• <1>：调用socket函数创建套接字
• <2>：调用bind函数分配IP地址和端口号
• <3>：调用listen函数将套接字转为可接收连接状态
• <4>：调用accept函数受理连接请求，如果在没有连接请求的情况下调用该函数，则不会返回，直到有连接请求为止
• <5>：write函数用于传输数据，若程序经过<4>处执行到本行，则说明已有连接请求

编译并运行hello_server.c，创建等待连接请求的服务器端

# gcc hello_server.c -o hello_server
# ls
hello_server  hello_server.c
# ./hello_server 8500

　　

服务器端创建的套接字又称为服务器端套接字或监听套接字，接下来介绍的套接字是用于请求连接服务器端的客户端套接字

#include <sys/socket.h>
int connect(int sock_fd, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

　　

connect为客户端用于请求连接的函数，成功时返回0，失败时返回-1

客户端只有“调用socket函数创建套接字”和“调用connect函数向服务器端发送连接请求”这两个步骤。因此，比服务器端简单

hello_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char message[30];
    int str_len;

    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage: %s <IP> <port>
", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //<1>
    if (sock == -1)
        error_handling("sock() error");

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1) //<2>
        error_handling("connect() error!");

    str_len = read(sock, message, sizeof(message) - 1);
    if (str_len == -1)
        error_handling("read() error!");

    printf("Message from server: %s
", message);
    close(sock);

    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('
', stderr);
    exit(1);
}

　　

• <1>：创建套接字，但此时套接字并不马上分为服务器端和客户端，如果下面的代码调用的是bind、listen函数，则是服务器端套接字。如果是connect函数，则是客户端套接字
• <2>：调用connect函数向服务器端发送连接请求

编译并运行hello_client.c

# gcc hello_client.c -o hello_client
# ls
hello_client  hello_client.c  hello_server  hello_server.c
# ./hello_client 127.0.0.1 8500
Message from server: Hello world!

　　

基于Linux的文件操作

对于Linux而言，socket操作与文件操作没有区别。在Linux世界里，socket也被认为是文件的一种，因此在网络数据传输过程中自然可以使用文件I/O的相关函数，如果想使用Linux提供的文件I/O函数，首先应该理解好文件描述符的概念

表1-1   分配给标准输入输出及标准错误的文件描述符

文件描述符	对象
0	标准输入：Standard Input
1	标准输出：Standard Output
2	标准错误：Standard Error

文件和套接字一般经过创建过程才会被分配文件描述符，表1-1中的3种输入输出对象即使未经过特殊的创建过程，程序开始运行后也会被自动分配文件描述符，后面还会讲解其使用方法和含义

打开文件

首先介绍打开文件以读写数据的函数。调用此函数时需传递两个参数：第一个参数是打开的目标文件名及路径信息，第二个参数是文件打开模式（文件特性信息）

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *path, int flag);//成功时返回文件描述符，失败时返回-1

　　

• path：文件名的字符串地址
• flag：文件打开模式

表1-2   文件打开模式

打开模式	含义
O_CREAT	必要时创建文件
O_TRUNC	删除全部现有数据
O_APPEND	维持现有数据，并将新数据追加到其后
O_RDONLY	只读打开
O_WRONLY	只写打开
O_RDWR	读写打开

如果flag需要传递多个参数，则通过位或运算（OR）符组合并传递

关闭文件

文件有打开，自然也有关闭。文件是系统中的一种资源，如果我们只打开文件，却不关闭，其他程序就不能使用此资源。且文件打开后，可能有一些操作被缓冲在内存中，若不正常关闭，缓冲在内存中的数据就不能真正写入到文件中，可能造成数据丢失，下面介绍关闭文件时调用的函数

#include <unistd.h>
int close(int fd);//成功时返回文件描述符，失败时返回-1

　　

• fd：需要关闭的文件或套接字的文件描述符

若调用此函数的同时传递文件描述符参数，则关闭相应文件。另外需要注意的是，此函数不仅可以关闭文件，还可以关闭套接字。这再次证明Linux操作系统不区分文件与套接字的特点

将数据写入文件

接下来介绍的write函数用于向文件输出数据。当然，Linux中不区分文件与套接字，因此，通过套接字向其他计算机传输数据时也会调用到该函数 

include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);//成功时返回写入的字节数，失败时返回-1

　　

• fd：显示数据传输对象的文件描述符
• buf：保存要传输数据的缓冲地址值
• nbytes：要传输数据的字节数

此函数定义中，size_t是通过typedef声明的unsigned int类型。对ssize_t来说，size_t前面多加一个s代表signed，即ssize_t是通过typedef声明的signed int类型

我们来看下面一段程序， low_open.c将完成创建新文件并保存数据

low_open.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
void error_handling(char *message);
int main(void)
{
    int fd;
    char buf[] = "Let's go!
";
    fd = open("data.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC); //<1>
    if (fd == -1)
        error_handling("open() error");
    printf("file descriptor:%d
", fd);
    if (write(fd, buf, sizeof(buf)) == -1) //<2>
        error_handling("write() error!");
    close(fd);
    return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('
', stderr);
    exit(1);
}

• <1>：文件打开模式为O_CREAT、O_WRONLY和O_TRUNC的组合，因此将创建空文件，并只能写。若存在data.txt文件，则清空文件的全部数据
• <2>：向对应于fd中保存的文件描述符的文件传输buf中保存的数据

　　　　

编译并运行low_open.c

# gcc low_open.c -o low_open
# ls
low_open  low_open.c
# ./low_open 
file descriptor:3
# ls
data.txt  low_open  low_open.c
# cat data.txt 
Let's go!

　　

读取文件中的数据

与之前的write函数相对应，read函数是用来接收数据的 

include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);//成功时返回接收的字节数（但遇到文件结尾则返回0），失败时返回-1

　　

• fd：显示数据接收对象的文件描述符
• buf：要保存接收数据的缓冲地址值
• nbytes：要接收数据的最大字节数

下面，我们通过low_read.c来读取data.txt中保存的数据

low_read.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 100
void error_handling(char *message);
int main(void)
{
    int fd;
    char buf[BUF_SIZE];
    fd = open("data.txt", O_RDONLY); //<1>
    if (fd == -1)
        error_handling("open()error");
    printf("file descriptor:%d
", fd);
    if (read(fd, buf, sizeof(buf)) == -1) //<2>
        error_handling("read()error");
    printf("file data:%s", buf);
    close(fd);
    return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('
', stderr);
    exit(1);
}

　　

• <1>：打开文件data.txt
• <2>：调用read函数向第10行中声明的数组buf保存读入的数据

编译并运行low_read.c

# gcc low_read.c -o low_read
[root@bogon tcp_ip]# ls
data.txt  low_open  low_open.c  low_read  low_read.c
[root@bogon tcp_ip]# ./low_read 
file descriptor:3
file data:Let's go!

　　

文件描述符与套接字

下面将同时创建文件和套接字，并用整数形态比较返回的文件描述符值

fd_seri.c

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
int main(void)
{
    int fd1, fd2, fd3;
    fd1 = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    fd2 = open("test.dat", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC);
    fd3 = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    printf("file descriptor 1:%d
", fd1);
    printf("file descriptor 2:%d
", fd2);
    printf("file descriptor 3:%d
", fd3);
    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    return 0;
}

　　

• 第8~10行：创建1个文件和2个套接字
• 第11~13行：输出之前创建的文件描述符的整数值

编译并运行fd_seri.c

# gcc fd_seri.c -o fd_seri
# ./fd_seri 
file descriptor 1:3
file descriptor 2:4
file descriptor 3:5

　　

从输出的文件描述符整数值可以看出，描述符从3开始由小到大的顺序编号，因为0、1、2是分配给标准I/O的描述符