《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 1：理解网络编程和套接字

《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 1：理解网络编程和套接字
- 基本概念
- - 服务端
  - 客户端
- 基于 Linux 平台的 "Hello world!" 服务端和客户端
- 基于 Linux 的文件操作
- - 打开文件
  - 关闭文件
  - 写文件
  - 读文件
- 基于 Windows 平台的实现
- - Winsock 的初始化
  - 注销 Winsock 相关库
  - 基于 Windows 的套接字相关函数
  - 创建基于 Windows 的服务端和客户端
  - 基于 Windows 的 I/O 函数
- 习题
- - （1）套接字在网络编程中的作用是什么？为什么称它为套接字？
  - （2）在服务器端创建套接字后，会依次调用listen函数和accept函数。请比较并说明两者作用。
  - （3）Linux中，对套接字数据进行I/O时可以直接使用I/O相关函数；而在Windows中则不可以。原因为何？
  - （4）创建套接字后一般会给它分配地址，为什么？为了完成地址分配需要调用哪些函数？
  - （5）Linux中的文件描述符与Windows的句柄实际上非常类似。请以套接字为对象说明他们的含义。
  - （6）底层文件I/O函数与ANSI标准定义的文件I/O函数之间有何区别？

《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 1：理解网络编程和套接字

基本概念

网络编程是什么？

编写程序使两台联网的计算机相互交换数据。

服务端

步骤 1：创建套接字

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

成功时返回文件描述符，失败时返回-1。

步骤 2：绑定IP地址和端口号

int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

成功时返回0，失败时返回-1

步骤 3：使转化为可接受请求状态

int listen(int sockfd, int backlog);

成功时返回文件描述符，失败时返回-1。

步骤 4：受理请求连接

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

成功时返回文件描述符，失败时返回-1。

客户端

步骤 1：创建socket

步骤 2：发起连接请求

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

成功时返回0，失败返回-1。

基于 Linux 平台的 “Hello world!” 服务端和客户端

服务端程序：

#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>\n",argv[0]);exit(1);}sock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sock==-1){error_handling("socket() 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){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 \n",message);close(sock);return 0;
}void error_handling(char* message)
{fputs(message,stderr);fputc('\n',stderr);exit(1);
}

客户端程序：

#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>\n",argv[0]);exit(1);}sock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sock==-1){error_handling("socket() 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){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 \n",message);close(sock);return 0;
}void error_handling(char* message)
{fputs(message,stderr);fputc('\n',stderr);exit(1);
}

基于 Linux 的文件操作

Linux中一切皆文件，socket自然也是文件。

每当生成文件或socket，操作系统都将返回分配给它们的整数（文件描述符），文件描述符只不过是为了方便的称呼操作系统创建的文件或socket而赋予的数。

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 Ouput
2	标准错误：Standard Error

其他的文件描述符从3开始的。

打开文件

#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int open(const char *path, int fla);

成功时返回文件描述符，失败时返回-1。

参数：

path: 文件名的字符串地址
flag: 文件打开模式信息，如需传递多个参数，应通过 | 运算符组合。

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，保存到其后面
O_RDONLY	只读打开
O_WRONLY	只写打开
O_RDWR	读写打开

关闭文件

#include <unistd.h>int close(int fildes);

成功时返回0，失败时返回-1。

参数：

fildes：需要关闭的文件或socket的文件描述符

写文件

#include <unistd.h>ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);

成功时返回写入的字节数，失败时返回-1。

参数：

fildes：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
nbyte：要传输数据的字节数

size_t : unsigned int，ssize_t：signed int，这些都是元数据类型，由操作系统定义，通过 typedef 声明。

示例程序：

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

运行结果：

在这里插入图片描述

注意：Windows 端可以用 type 命令打印 txt 文件的内容。

读文件

#include <unistd.h>ssize_t read(int fildes, void *buf, size_t nbyte);

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。

参数：

fildes：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

示例程序：

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

运行结果：

在这里插入图片描述

基于 Windows 平台的实现

Windows 套接字，简称 Winsock，大部分参考 BSD 系列 UNIX 套接字设计，和 Linux 套接字类似。

Winsock 的初始化

进行Winsock编程时，首先调用 WSAStartup 函数，设置程序中用到的Winsock版本，并初始化相应版本的库。

int WSAStartup(WORD wVersionRequested,LPWSADATA lpWSAData);

参数：

wVersionRequested：Winsock版本信息
lpWSAData：WSADATA结构体变量的地址值

Winsock中存在多个版本，应准备WORD（typedef unsigned int WORD;）类型的套接字版本信息，若版本为1.2，则1是主版本号，2是副版本号，应传递 0x0201

0x0201 高8位为副版本号，低8位为主版本号。这里借助 MAKEWORD 宏函数来传递版本信息号。

MAKEWORD(1,2); // 主版本号是1，副版本号是2，返回0x0201

int main(int argc,char* argv[])
{WSADATA wsaData;....if(WSAStartup(MAKEWORD(1,2), &wsaData) != 0){....}return 0;
}

注销 Winsock 相关库

#include <Winsock2.h>int WSACleanup(void);

成功时返回0，失败时返回 SOCKET_ERROR。

基于 Windows 的套接字相关函数

创建socket：

SOCKET socket(int af,int type,int protocol);

成功时返回套接字句柄（对应linux中的文件描述符），失败返回 INVALID_SOCKET。

绑定IP和端口号：

int bind(SOCKET s,const struct sockaddr* name,int namelen);

成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR。

将服务端设置为可接受请求状态：

int listen(SOCKET s,int backlog);

成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR。

受理请求连接（accept）：

SOCKET accept(SOCKET s,struct sockaddr* addr,int* addrlen);

成功时返回套接字句柄，失败时返回INVALID_SOCKET。

从客户端发起请求连接：

int connect(SOCKET s,const struct sockaddr* name,int namelen);

成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR。

关闭套接字：

int closesocket(SOCKET s);

成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR。

Windows中的句柄相当于linux中的文件描述符，但是Windows中的文件句柄和套接字句柄是有区别的。

创建基于 Windows 的服务端和客户端

服务端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>void ErrorHanding(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}int main(int argc, char *argv[])
{WSADATA wsaData;SOCKET hServerSock, hClientSock;SOCKADDR_IN serverAddr, clientAddr;int szClientAddr;char message[] = "Hello World!";if (argc != 2){printf("Usage: %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)ErrorHanding("WSAStartup() 	error!");hServerSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (hServerSock == INVALID_SOCKET)ErrorHanding("socket() 	error!");memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(hServerSock, (SOCKADDR *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR)ErrorHanding("bind() error!");if (listen(hServerSock, 5) == SOCKET_ERROR)ErrorHanding("listen() error!");szClientAddr = sizeof(clientAddr);hClientSock = accept(hServerSock, (SOCKADDR *)&clientAddr, &szClientAddr);if (hClientSock == INVALID_SOCKET)ErrorHanding("accept() error!");send(hClientSock, message, sizeof(message), 0);closesocket(hClientSock);closesocket(hServerSock);WSACleanup();return 0;
}

客户端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>void ErrorHanding(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}int main(int argc, char *argv[])
{WSADATA wsaData;SOCKET hSocket;SOCKADDR_IN serverAddr;char message[30];int strLen;if (argc != 3){printf("Usage: %s <IP> <port>\n", argv[0]);exit(1);}if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)ErrorHanding("WSAStartup() 	error!");hSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (hSocket == INVALID_SOCKET)ErrorHanding("socket() 	error!");memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if (connect(hSocket, (SOCKADDR *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR)ErrorHanding("connect() error!");strLen = recv(hSocket, message, sizeof(message) - 1, 0);if (strLen == -1)ErrorHanding("recv() error!");printf("Message from server: %s\n", message);closesocket(hSocket);WSACleanup();return 0;
}

编译遇到报错：

在这里插入图片描述

参考【三种解决方法】undefined reference to `__imp_WSAStartup‘ 给出的解决办法，手动添加编译参数 -lwsock32：

gcc hello_server_win.c -lwsock32 -o hServerWingcc hello_client_win.c -lwsock32 -o hClientWin

编译就可以成功了：

在这里插入图片描述

我们运行服务端程序，监听 9190 端口：

hServerWin 9190

再运行客户端程序：

hClientWin 127.0.0.1 9190

得到输出：

Message from server: Hello World!

基于 Windows 的 I/O 函数

Linux中socket也是文件，因此可以通过文件I/O函数read和write进行数据传输。而Windows严格区分文件I/O函数和套接字I/O函数。

int send(SOCKET s,const char* buf,int len,int flags);

成功时返回传输字节数，失败时返回SOCKET_ERROR。

参数：

s：表示数据传输对象连接的套接字句柄值
buf：保存待传输数据的缓冲地址值
len：要传输的字节数
flags：传输数据时用到的多种选项信息

int recv(SOCKET s, const char* buf, int len, int flags);

成功时返回接收的字节数（收到EOF时为0），失败返回SOCKET_ERROR。

s：表示数据接收对象连接的套接字句柄值
buf：保存待接收数据的缓冲地址值
len：要接收的字节数
flags：接收数据时用到的多种选项信息

习题

（1）套接字在网络编程中的作用是什么？为什么称它为套接字？

网络编程就是编写程序让两台联网的计算机相互交换数据。在我们不需要考虑物理连接的情况下，我们只需要考虑如何编写传输软件。操作系统提供了名为“套接字”，套接字是网络传输传输用的软件设备。

socket英文原意是插座，我们把插头插到插座上就能从电网获得电力供给，同样，为了与远程计算机进行数据传输，需要连接到Internet,而变成中的“套接字”就是用来连接该网络的工具。

（2）在服务器端创建套接字后，会依次调用listen函数和accept函数。请比较并说明两者作用。

listen：将套接字转为可接受连接方式（监听套接字）

accept：受理连接请求，并且在没有连接请求的情况调用该函数，不会返回（阻塞）。直到有连接请求为止。二者存在逻辑上的先后关系。

（3）Linux中，对套接字数据进行I/O时可以直接使用I/O相关函数；而在Windows中则不可以。原因为何？

Linux把套接字也看作是文件，所以可以用文件I/O相关函数；而Windows要区分套接字和文件，所以设置了特殊的函数。

（4）创建套接字后一般会给它分配地址，为什么？为了完成地址分配需要调用哪些函数？

要在网络上区分来自不同机器的套接字，所以需要地址信息。分配地址是通过bind()函数实现。

（5）Linux中的文件描述符与Windows的句柄实际上非常类似。请以套接字为对象说明他们的含义。

Linux的文件描述符是为了区分指定文件而赋予文件的整数值（相当于编号）。Windows的文件描述符其实也是套接字的整数值，其目的也是区分指定套接字。

（6）底层文件I/O函数与ANSI标准定义的文件I/O函数之间有何区别？

ANSI标准定义的输入、输出函数是与操作系统（内核）无关的以C标准写成的函数；相反，底层文件I/O函数是操作系统直接提供的。
标准I/O分为全缓冲，行缓冲，不缓冲三种形式；文件I/O为不带缓冲的I/O。
文件I/O主要针对文件操作，它操作的是文件描述符；标准I/O针对的是控制台，它操作的是字符流。对于不同设备得特性不一样，必须有不同API访问才最高效。