Linux网络编程：2. 初等网络函数介绍（TCP）

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Linux系统是通过提供套接字(socket)来进行网络编程的。网络程序通过socket和其它几个函数的调用，会返回一个通讯的文件描述符，我们可以将这个描述符看成普通的文件的描述符来操作，这就是linux的设备无关性的好处。我们可以通过向描述符读写操作实现网络之间的数据交流。

2.1 socket

[code lang="c" light="true"]int socket(int domain, int type, int protocol)[/code]

  • domain：说明我们网络程序所在的主机采用的通讯协族（AF_UNIX和AF_INET等）。AF_UNIX只能够用于单一的Unix系统进程间通信，而AF_INET是针对Internet的，因而可以允许在远程主机之间通信（当我们man socket时发现，domain可选项是PF_*而不是AF_*，因为glibc是posix的实现，所以用PF代替了AF，不过我们都可以使用的）。
  • type：我们网络程序所采用的通讯协议（SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM等）。SOCK_STREAM表明我们用的是TCP协议，这样会提供按顺序的、可靠、双向、面向连接的比特流。SOCK_DGRAM表明我们用的是UDP协议，这样只会提供定长的、不可靠、无连接的通信。
  • protocol：由于我们指定了type，所以这个地方我们一般只要用0来代替就可以了。
  • socket为网络通讯做基本的准备。成功时返回文件描述符，失败时返回-1，看errno可知道出错的详细情况。

2.2 bind

[code lang="c" light="true"]int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen)[/code]

  • sockfd：是由socket调用返回的文件描述符。
  • addrlen：是sockaddr结构的长度。
  • my_addr：是一个指向sockaddr的指针。

在中有sockaddr的定义：

[code lang="c" light="true"]
struct sockaddr{
unisgned short as_family;
char sa_data[14];
};
[/code]

不过由于系统的兼容性，我们一般不用这个头文件，而使用另外一个结构(struct sockaddr_in)来代替。在中有sockaddr_in的定义：

[code lang="c" light="true"]
struct sockaddr_in{
unsigned short sin_family;
unsigned short int sin_port;
struct in_addr sin_addr;
unsigned char sin_zero[8];
};
[/code]

我们主要使用Internet所以sin_family一般为AF_INET，sin_addr设置为INADDR_ANY表示可以和任何的主机通信，sin_port是我们要监听的端口号。sin_zero[8]是用来填充的。
bind将本地的端口同socket返回的文件描述符捆绑在一起。成功时返回0，失败时返回-1。

2.3 listen

[code lang="c" light="true"]int listen(int sockfd,int backlog)[/code]

  • sockfd：是bind后的文件描述符。
  • backlog：设置请求排队的最大长度。当有多个客户端程序和服务端相连时，使用这个表示可以接受的排队长度。

listen函数将bind的文件描述符变为监听套接字。成功时返回0，失败时返回-1。

2.4 accept

[code lang="c" light="true"]int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr,int *addrlen)[/code]

  • sockfd：是listen后的文件描述符。
  • addr、addrlen是用来给客户端的程序填写的，服务器端只要传递指针就可以了。

bind、listen和accept是服务器端用的函数。

accept调用时，服务器端的程序会一直阻塞到有一个客户程序发出了连接。

accept成功时返回最后的服务器端的文件描述符，这个时候服务器端可以向该描述符写信息了。失败时返回-1。

2.5 connect

[code lang="c" light="true"]int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen)[/code]

  • sockfd：socket返回的文件描述符。
  • serv_addr：储存了服务器端的连接信息。其中sin_add是服务端的地址。
  • addrlen：serv_addr的长度。

connect函数是客户端用来同服务端连接的。成功时返回0，sockfd是同服务端通讯的文件描述符。失败时返回-1。

2.6 实例

服务器端程序

[code lang="c"]
/******* 服务器程序 (server.c) ************/
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h></span>

int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd,new_fd;
struct sockaddr_in server_addr;
struct sockaddr_in client_addr;
int sin_size,portnumber;
char hello[]="Hello! Are You Fine?\n";

if(argc!=2)
{
fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber\a\n",argv[0]);
exit(1);
}

if((portnumber=atoi(argv[1]))<0)
{
fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber\a\n",argv[0]);
exit(1);
}

/* 服务器端开始建立socket描述符 */
if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
{
fprintf(stderr,"Socket error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}

/* 服务器端填充 sockaddr结构 */
bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
server_addr.sin_family=AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port=htons(portnumber);

/* 捆绑sockfd描述符 */
if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1)
{
fprintf(stderr,"Bind error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}

/* 监听sockfd描述符 */
if(listen(sockfd,5)==-1)
{
fprintf(stderr,"Listen error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}

while(1)
{
/* 服务器阻塞,直到客户程序建立连接 */
sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
if((new_fd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)(&client_addr),&sin_size))==-1)
{
fprintf(stderr,"Accept error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}

fprintf(stderr,"Server get connection from %s\n",
inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
if(write(new_fd,hello,strlen(hello))==-1)
{
fprintf(stderr,"Write Error:%s\n",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 这个通讯已经结束 */
close(new_fd);
/* 循环下一个 */
}
close(sockfd);
exit(0);
}
[/code]

客户端程序

[code lang="c"]
/******* 客户端程序 client.c ************/
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h></span>

int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd;
char buffer[1024];
struct sockaddr_in server_addr;
struct hostent *host;
int portnumber,nbytes;

if(argc!=3)
{
fprintf(stderr,"Usage:%s hostname portnumber\a\n",argv[0]);
exit(1);
}

if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL)
{
fprintf(stderr,"Gethostname error\n");
exit(1);
}

if((portnumber=atoi(argv[2]))<0)
{
fprintf(stderr,"Usage:%s hostname portnumber\a\n",argv[0]);
exit(1);
}

/* 客户程序开始建立 sockfd描述符 */
if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
{
fprintf(stderr,"Socket Error:%s\a\n",strerror(errno));
exit(1);
}

/* 客户程序填充服务端的资料 */
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family=AF_INET;
server_addr.sin_port=htons(portnumber);
server_addr.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr);

/* 客户程序发起连接请求 */
if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1)
{
fprintf(stderr,"Connect Error:%s\a\n",strerror(errno));
exit(1);
}

/* 连接成功了 */
if((nbytes=read(sockfd,buffer,1024))==-1)
{
fprintf(stderr,"Read Error:%s\n",strerror(errno));
exit(1);
}
buffer[nbytes]='\0';
printf("I have received:%s\n",buffer);
/* 结束通讯 */
close(sockfd);
exit(0);
}
[/code]

MakeFile
这里我们使用GNU的make实用程序来编译。关于make的详细说明见 Make 使用介绍

[code lang="plain"]
######### Makefile ###########
all:server client
server:server.c
gcc $^ -o $@
client:client.c
gcc $^ -o $@
[/code]

运行make后会产生两个程序server(服务器端)和client(客户端)。先运行 ./server portnumber （portnumber随便取一个大于1204且不在/etc/services中出现的号码，就用8888好了），然后运行 ./client localhost 8888 看看有什么结果。你也可以用telnet和netstat试一试。
上面是一个最简单的网络程序，不过是不是也有点烦？上面有许多函数我们还没有解释。我会在下一章进行的详细的说明。

2.7 总结

总的来说网络程序是由两个部分组成的--客户端和服务器端.它们的建立步骤一般是：
服务器端：socket-->bind-->listen-->accept
客户端：　socket-->connect
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