UNIX网络编程：socket实现client/server通信

一、问题引入

阅读UNIX网络编程 卷1：套接字联网API 第3版的前4个章节，觉得有必要对书籍上的源码案例进行复现，并推敲TCP的C/S通信过程。

二、解决过程

2-1 server 代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/shm.h>

#define PORT 8887
#define QUEUE 20
#define BUFFER_SIZE 1024

int main()
{
    // 定义sockfd, AF_INET:IPv4协议，SOCK_STREAM：字节流套接字
    int server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 定义sockaddr_in
    struct sockaddr_in server_sockaddr;
    server_sockaddr.sin_family = AF_INET;
    server_sockaddr.sin_port = htons(PORT);
    server_sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    // bind，成功返回0，出错返回-1
    if (bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_sockaddr, sizeof(server_sockaddr)) == -1)
    {
        perror("bind failure");
        exit(1);
    }

    // listen，成功返回0，出错返回-1
    if (listen(server_sockfd, QUEUE) == -1)
    {
        perror("listen failure");
        exit(1);
    }

    // 客户端套接字
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t length = sizeof(client_addr);

    // 成功返回非负描述字，出错返回-1
    // accept()被阻塞，等待客户端连接，一旦客户端和服务器完成TCP三次握手，accept()返回一个已连接描述值
    int conn = accept(server_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &length);
    if (conn < 0)
    {
        perror("connect failure");
        exit(1);
    }

    printf("**************************\n");
    printf("accept successful !!!\n");
    char ipbuf[64] = {0};
    printf("client || ip: %s, port: %d\n",
           inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ipbuf, sizeof(ipbuf)),
           ntohs(client_addr.sin_port));
    printf("**************************\n");
    while (1)
    {
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
        // 接收
        int len = recv(conn, buffer, sizeof(buffer), 0);
        if (strcmp(buffer, "exit") == 0 || strcmp(buffer, "q") == 0)
            break;
        if(len > 0)
        {
            printf("Recv:%s (%d Byte)\n", buffer, strlen(buffer));
        }
    }
    close(conn);
    close(server_sockfd);
    return 0;
}

2-2 client 代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/shm.h>

#define PORT 8887
#define BUFFER_SIZE 1024

int main()
{
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    /// 连接服务器，成功返回0，错误返回-1
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
    {
        perror("connect");
        exit(1);
    }
    printf("**************************\n");
    printf("connect successful !!!\n");
    char ipbuf[64] = {0};
    printf("server || ip: %s, port: %d\n",
           inet_ntop(AF_INET, &servaddr.sin_addr.s_addr, ipbuf, sizeof(ipbuf)),
           ntohs(servaddr.sin_port));
    printf("now you can send message to server\n");
    printf("**************************\n");
    char sendbuf[BUFFER_SIZE];
    while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)
    {
        if(sendbuf[strlen(sendbuf)-1] == '\n')
            sendbuf[strlen(sendbuf)-1] = '\0';
        // 发送
        send(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);
        if (strcmp(sendbuf, "exit") == 0 || strcmp(sendbuf, "q") == 0)
            break;
        memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

2-3 编译和运行测试

📌 测试环境：CentOS7.6 x64

编译server.c 和 client.c

gcc server.c -g -std=gnu99 -o server 和 gcc client.c -g -std=gnu99 -o client

运行测试：

📌 server.c仅仅实现对单个客户端的连接请求，接受客户端的请求消息，但不作应答

client：

server：

2-4 socket 流程图

所有客户和服务器都从调用socket() 开始，它返回一个套接字描述符。客户随后调用connect() ，服务器则调用bind() 、listen() 和 accept() ，套接字通常使用标准的close()函数关闭。

2-5 socket API 函数

• IPv4套接字地址结构

// struct sockaddr原型声明在如下头文件中
#include <sys/socket.h>
// uint8_t 原型在如下头文件中
#include <sys/types.h>

struct sockaddr
{
  uint8_t     sa_len;
  sa_family_t sa_family;   /* address family: AF_xxx value */
  char        sa_data[14]; /* protocol specific address */
};

// sockaddr_in原型声明在如下头文件中
#include <netinet/in.h>
// uint8_t 原型在如下头文件中
#include <sys/types.h>
// in_addr_t、in_port_t的原型声明在如下头文件中
#include <netinet/in.h>
// sa_family_t、socklen_t的原型声明在如下头文件中
#include <sys/socket.h>

struct in_addr
{
  in_addr_t s_addr; /* 32-bit IPv4 address */
                    /* network byte ordered */
};

struct sockaddr_in
{
  uint8_t        sin_len;     /* length of structure (16) */
  sa_family_t    sin_family;  /* AF_INET */
  in_port_t      sin_port;    /* 16-bit TCP or UDP port number */
   
  struct in_addr sin_addr;    /* 32-bit IPv4 address */
                              /* network byte ordered */
  char           sin_zero[8]; /* unused */
};

• socket函数

// socket()原型声明在如下头文件中
#include <sys/socket.h>

/*
 * socket函数的功能是：申请套接字资源
 * @param family 指协议族，可选项有如下：
 * AF_INET:IPv4协议, AF_INET6:IPv6, AF_LOCAL:Unix域协议, AF_ROUTE:路由套接字, AF_KEY:密钥套接字
 * @param type 指套接字类型，可选项有如下：
 * SOCK_STREAM:字节流套接字, SOCK_DGRAM:数据报套接字, SOCK_SEQPACKET:有序分组套接字, SOCK_RAW:原始套接字
 * @param protocol 指某个协议类型常值，一般默认设置为0。可选项有如下：
 * IPPROTO_TCP:TCP传输协议, IPPROTO_UDP:UDP传输协议, IPPROTO_SCTP:SCTP传输协议
 * @return 若成功返回非负值，否者返回-1。返回值称之为套接字描述符（监听套接字）
 */
int socket(int family, int type, int protocol);

• connect函数

📌 客户端调用connect函数将激发TCP的三次握手

// connect()原型声明在如下头文件中
#include <sys/socket.h>

/*
 * connect函数的功能是：与TCP服务器建立连接
 * @param sockfd 使用socket函数获取的套接字描述符
 * @param *servaddr 一个指向套接字地址结构的指针
 * @param addrlen 套接字结构的大小
 * @return 若成功则返回0，出错返回-1
 */
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);

• bind函数

📌 服务器在启动时，利用bind函数捆绑一个固定众所周知的端口号，但对于客户端不需要，可以让内核去分配一个临时端口号

// bind()原型声明在如下头文件中
#include <sys/socket.h>

/*
 *
 * @param sockfd 使用socket函数获取的套接字描述符
 * @param *myaddr 一个指向特定协议的地址结构的指针
 * @param addrlen 特定协议的结构的大小
 * @return 若成功则返回0，出错返回-1
 */
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);

• listen函数

📌 listen函数只能由TCP服务器调用

// listen()原型声明在如下头文件中
#include <sys/socket.h>

/*
 * listen函数把一个未连接的套接字转换成一个被动套接字
 * @param sockfd 使用socket函数获取的套接字描述符
 * @param backlog 套接字排队的最大连接个数
 * @return 若成功则返回0，出错返回-1
 */
int listen(int sockfd, int backlog);

• accept函数

📌 accept函数只能由TCP服务器调用，返回一个已连接套接字。若有客户端发起连接请求，并完成三次握手，accept函数被触发

// accept()原型声明在如下头文件中
#include <sys/socket.h>

/*
*
* @param sockfd 使用socket函数获取的套接字描述符
* @param *cliaddr 一个指向特定协议的地址结构的指针
* @param *addrlen 特定协议的结构的大小
* @return 若成功则返回非负描述符，出错则返回-1。返回值称之为：已连接套接字
*/
int accpet(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);

• recv函数和send函数

// ssize_t, size_t 数据原型声明在如下头文件中
#include <sys/types.h>
// recv()，send()原型声明在如下头文件中
#include <sys/socket.h>

/*
 *
 * @param sockfd 使用socket函数获取的套接字描述符
 * @param *buf 用于接受数据的缓冲区
 * @param *len 缓冲区的长度
 * #param flags 指定可选的标志，用于控制接收行为，一般默认为0
 * @return 若返回值大于0，成功返回接收到的字节数；
 * 若返回值小于0，失败，可读取错误码errno
 * 若返回值等于0，失败，网络中断
 */
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

/*
 *
 * @param s 使用socket函数获取的套接字描述符
 * @param *msg 用于发送数据的缓冲区
 * @param *len 缓冲区的长度
 * #param flags 指定可选的标志，用于控制接收行为，一般默认为0
 * @return 若返回值大于0，成功返回发送的字节数；
 * 若返回值小于0，失败，可读取错误码errno
 * 若返回值等于0，失败，网络中断
 */
int send(int s, const void *msg, size_t len, int flags);

三、反思总结

本随笔案例仅实现了TCP服务器针对单个客户端的应答，但实际中TCP服务器要为成千上万个客户端服务的。

文中的重点介绍Linux Socket的API，但关于TCP/IP才是Socket的基石。

四、参考引用

UNIX网络编程 卷1：套接字联网API 第3版