Linux网络编程---Socket编程

一、网络套接字

一个文件描述符指向一个套接字(该套接字内部由内核借助两个缓冲区实现。)

在通信过程中，套接字一定是成对出现的

套接字通讯原理示意图：

二、预备知识 

1.  网络字节序

内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分

小端法：(PC本地存储)高位存高地址，低位存低地址

大端法：(网络存储)高位存低地址，低位存高地址

网络的数据流采用大端字节序，而本地的数据流采用小端字节序，因此要通过函数来完成网络字节序和主机字节序的转换

htonl：本地 -->网络 (IP协议)        本地字节序转网络字节序，转32位

htons：本地 --> 网络 (port端口)

ntohl：网络 --> 本地 (IP)

ntohs：网络 --> 本地 (port)

其中：h表示host，n表示network，l表示32位(4字节)长整数，s表示16位短整数

2. IP地址转换函数 

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

本地字节序(string IP)转换成网络字节序

参数

        aft：指定 IP 地址的类型，通常是AF_INET或AF_INET6
        src：传入，IP地址(点分十进制)
        dst：传出，转换后的网络字节序的IP地址。
返回值
        成功：1
        异常：0，说明src指向的不是一个有效的ip地址。

        失败：-1

const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

网络字节序转换成本地字节序(string IP)

参数

        aft：AF_INET、AF_INET6
        src：网络字节序IP地址
        dst：本地字节序(string IP)

        size：dst的大小
返回值
        成功：dst

        失败：NULL

3. sockaddr地址结构

struct sockaddr_in addr ;
addr.sin_family = AF_INET/AF_INET6                man 7 ip
addr.sin_port = htons(9527);
        int dst ;
        inet _pton(AF_INET，"192.157.22.45"，(void *)&dst) ;

addr.sin_addr.s_addr = dst;
addr.sin_addr. s_addr = htonl(INADDR_ANY); 取出系统中有效的任意IP地址。二进制类型。
bind(fd,(struct sockaddr*)&addr，size);

  1. sin_family：表示你要使用的地址结构类型，AF_INET是IPV4，AF_INET6是IPV6；
  2. sin_port：网络字节序的端口号，因此要使用htons转换一下；
  3. struct in_addr sin_addr：一个结构体，里面有一个s_addr，要传入网络字节序的ip地址，因此要使用inet_pton函数；也可以使用第二种方法使用宏：addr.sin_addr. s_addr = htonl(INADDR_ANY);

三、网络套接字函数 

1. socket模型创建流程分析

当服务器端调用socket函数时会产生一个套接字，而accept函数会阻塞监听客户端连接，当有客户端过来连接的时候，该函数会返回一个新的套接字去和客户端连接，因此一个socket建立会有两个套接字，另外一个套接字用于监听。即：整个流程一共用到3个套接字，一对用于通信，一个用于监听

2. socket函数

头文件：

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>


int socket(int domain, int type,int protocol) ;        创建一个套接字

参数：
        domain：AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX
        type：数据传输协议，SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM
        protocol：默认传0，根据type来选择，SOCK_STREAM的代表协议是TCP，SOCK_DGRAM的是UDP

返回值：

        成功：新套接字所对应文件描述符
        失败:：-1 errno

3. bind函数 

头文件：

#include <arpa/inet.h>

int bind(int sockfd,const struct sockaddr *addr，socklen_t addrlen) ;
给socket绑定一个地址结构(IP+port)

参数：
        sockfd：socket函数的返回值
                struct sockaddr_in addr;

                addr.sin_family= AF_INET;

                addr.sin_port = htons(8888);
                addr.sin_addr. s_addr = htonl (INADDR_ANY);

        网络地址为INADDR_ANY，这个宏表示本地的任意IP地址，因为服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能绑定多个IP地址，这样设置可以在所有的IP地址上监听，直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个IP地址
        addr：传入参数(struct sockaddr *)&addr
        addrlen：sizeof(addr)地址结构的大小。
返回值：
        成功：0
        失败：-1 errno

4. listen函数

int listen(int sockfd, int backlog); 

设置同时与服务器建立连接的上限数(同时进行3次握手的客户端数量) 

参数：   

        sockfd：socket的返回值

        backlog：上限数值

返回值：

        成功：0

        失败：-1 error

5. accept函数

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

阻塞等待客户端建立连接，成功的话 返回一个与客户端成功连接的socket文件描述符。

参数：

        sockfd：socket的返回值

        addr：传出参数，成功与服务器建立连接的那个客户端的地址结构(IP+port)

        addrlen： 传入传出参数，&clit_addr_len

                        入：addr的大小

                        出：客户端addr的实际大小

                socklen_t clit_addr_len = sizeof(addr);

返回值：

        成功：能与服务器进行数据通信的 socket 对应的文件描述符

        失败：-1 error

6. connect函数

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

使用客户端现有的socket与服务器进行连接。

参数：

        sockfd：socket的返回值

                      struct sockaddr_in serv_addr;        //服务器地址结构
                      serv_addr.sin_family = AF_INET;
                      serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);//和服务器bind时设定的port一致
                      inet_pton(AF_INET,"服务器的IP地址",&serv_addr.sin_addr.s_addr);

        addr：传入参数，服务器的地址结构

                inet_pton()

        addrlen：服务器地址结构的大小

返回值：

        成功：0

        失败：-1 error

如果不使用bind绑定客户端地址结构，采用"隐式绑定" 

四、CS模型的TCP通信流程分析

server：

1. socket()                创建socket
2. bind()                    绑定服务器地址结构
3. listen()                  设置监听上限
4. accep()                 阻塞监听客户端连接
5. read(fd)                读socket获取客户端数据
6.小写转换大写        toupper()
7. write(fd)
8. close();

client：

1. socket()             创建socket
2. connect();         与服务器建立连接

3. write()               写数据到socket
4. read()                读转换后的数据
5. 显示读取结果
6. close()

 server的实现，server.c的作用是从客户端读字符，然后将每个字符转换为大写并回送给客户端

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<ctype.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<pthread.h>#define SERV_PORT 9527void sys_err(const char *str)
{perror(str);exit(1);
}int main(int argc,char *argv[])
{int lfd = 0,cfd = 0;int ret;char buf[BUFSIZ];//4096struct sockaddr_in serv_addr,clit_addr;socklen_t clit_addr_len;serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);lfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (lfd == -1){sys_err("socket errno");}ret = bind(lfd,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(serv_addr));if (ret == -1){sys_err("bind error");}ret = listen(lfd,128);if (ret == -1){sys_err("listen error");}clit_addr_len = sizeof(clit_addr);cfd = accept(lfd,(struct sockaddr *)&clit_addr,&clit_addr_len);if (cfd == -1){sys_err("accept error");}while(1){ret = read(cfd,buf,sizeof(buf));write(STDOUT_FILENO,buf,ret);for (int i = 0;i<ret;i++){buf[i] = toupper(buf[i]);}write(cfd,buf,ret);}close(lfd);close(cfd);return 0;
}

可以通过命令nc+ip地址+端口号进行连接，测试服务器，可以看到能够正常的小写转大写，输出如下所示：

client的实现，client.c的作用是从命令行参数中获得一个字符串发给服务器，然后接收服务器返回的字符串并打印

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<ctype.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<pthread.h>#define SERV_PORT 9527void sys_err(const char *str)
{perror(str);exit(1);
}int main(int argc,char *argv[])
{int cfd;int counter = 10;char buf[BUFSIZ];struct sockaddr_in serv_addr;//服务器地址结构serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);inet_pton(AF_INET,"192.168.88.129",&serv_addr.sin_addr.s_addr);cfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (cfd == -1){sys_err("socket error");}int ret = connect(cfd,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(serv_addr));if (ret == -1){sys_err("connect error");}while(--counter){write(cfd,"hello\n",6);ret = read(cfd,buf,sizeof(buf));write(STDOUT_FILENO,buf,ret);sleep(1);}close(cfd);return 0;
}

在server.c中加入以下代码打印ip及端口号：

printf("client ip is:%s port:%d\n",inet_ntop(AF_INET,&clit_addr.sin_addr.s_addr,client_IP,sizeof(client_IP)),ntohs(clit_addr.sin_port));

两个终端分别执行服务端和客户端，输出如下所示： 

五、错误函数封装 

        上面的例子不仅功能简单，而且简单到几乎没有什么错误处理，我们知道，系统调用不能保证每次都成功，必须进行出错处理，这样一方面可以保证程序逻辑正常，另一方面可以迅速得到故障信息。

        为使错误处理的代码不影响主程序的可读性，我们把与socket相关的一些系统函数加上错误处理代码包装成新的函数，做成一个模块wrap.c：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>void perr_exit(const char *s)
{perror(s);exit(-1);
}int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr)
{int n;again:if ((n = accept(fd, sa, salenptr)) < 0) {if ((errno == ECONNABORTED) || (errno == EINTR))goto again;elseperr_exit("accept error");}return n;
}int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{int n;if ((n = bind(fd, sa, salen)) < 0)perr_exit("bind error");return n;
}int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{int n;if ((n = connect(fd, sa, salen)) < 0)perr_exit("connect error");return n;
}int Listen(int fd, int backlog)
{int n;if ((n = listen(fd, backlog)) < 0)perr_exit("listen error");return n;
}int Socket(int family, int type, int protocol)
{int n;if ((n = socket(family, type, protocol)) < 0)perr_exit("socket error");return n;
}ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes)
{ssize_t n;again:if ( (n = read(fd, ptr, nbytes)) == -1) {if (errno == EINTR)goto again;elsereturn -1;}return n;
}ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes)
{ssize_t n;again:if ( (n = write(fd, ptr, nbytes)) == -1) {if (errno == EINTR)goto again;elsereturn -1;}return n;
}int Close(int fd)
{int n;if ((n = close(fd)) == -1)perr_exit("close error");return n;
}/*参三: 应该读取的字节数*/
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n)
{size_t  nleft;              //usigned int 剩余未读取的字节数ssize_t nread;              //int 实际读到的字节数char   *ptr;ptr = vptr;nleft = n;while (nleft > 0) {if ((nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {if (errno == EINTR)nread = 0;elsereturn -1;} else if (nread == 0)break;nleft -= nread;ptr += nread;}return n - nleft;
}ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n)
{size_t nleft;ssize_t nwritten;const char *ptr;ptr = vptr;nleft = n;while (nleft > 0) {if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) {if (nwritten < 0 && errno == EINTR)nwritten = 0;elsereturn -1;}nleft -= nwritten;ptr += nwritten;}return n;
}static ssize_t my_read(int fd, char *ptr)
{static int read_cnt;static char *read_ptr;static char read_buf[100];if (read_cnt <= 0) {
again:if ( (read_cnt = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) < 0) {if (errno == EINTR)goto again;return -1;} else if (read_cnt == 0)return 0;read_ptr = read_buf;}read_cnt--;*ptr = *read_ptr++;return 1;
}ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen)
{ssize_t n, rc;char    c, *ptr;ptr = vptr;for (n = 1; n < maxlen; n++) {if ( (rc = my_read(fd, &c)) == 1) {*ptr++ = c;if (c  == '\n')break;} else if (rc == 0) {*ptr = 0;return n - 1;} elsereturn -1;}*ptr  = 0;return n;
}

wrap.h

#ifndef __WRAP_H_
#define __WRAP_H_void perr_exit(const char *s);
int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr);
int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
int Listen(int fd, int backlog);
int Socket(int family, int type, int protocol);
ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes);
ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes);
int Close(int fd);
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n);
ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n);
ssize_t my_read(int fd, char *ptr);
ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen);#endif

错误函数封装在多线程并发服务器实现中使用

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