理解 TCP（六）：網絡編程接口
更好閱讀體驗：《理解 TCP 和 UDP》— By Gitbook javascript
一切皆 Socket
咱們已經知道網絡中的進程是經過 socket 來通訊的，那什麼是 socket 呢？
socket 起源於 UNIX，而 UNIX/Linux 基本哲學之一就是「一切皆文件」，均可以用「open → write/read → close」模式來操做。
socket 其實就是該模式的一個實現，socket 便是一種特殊的文件，一些 socket 函數就是對其進行的操做。 java
使用 TCP/IP 協議的應用程序一般採用系統提供的編程接口：UNIX BSD 的套接字接口（Socket Interfaces）
以此來實現網絡進程之間的通訊。
就目前而言，幾乎全部的應用程序都是採用 socket，因此說如今的網絡時代，網絡中進程通訊是無處不在，一切皆 socket c++
套接字接口 Socket Interfaces
套接字接口是一組函數，由操做系統提供，用以建立網絡應用。
大多數現代操做系統都實現了套接字接口，包括全部 Unix 變種，Windows 和 Macintosh 系統。 git
套接字接口的起源
套接字接口是加州大學伯克利分校的研究人員在 20 世紀 80 年代早起提出的。
伯克利的研究者使得套接字接口適用於任何底層的協議，第一個實現就是針對 TCP/IP 協議，他們把它包括在 Unix 4.2 BSD 的內核裏，而且分發給許多學校和實驗室。
這在因特網的歷史成爲了一個重大事件。
—— 《深刻理解計算機系統》編程
從 Linux 內核的角度來看，一個套接字就是通訊的一個端點。
從 Linux 程序的角度來看，套接字是一個有相應描述符的文件。
普通文件的打開操做返回一個文件描述字，而 socket() 用於建立一個 socket 描述符，惟一標識一個 socket。
這個 socket 描述字跟文件描述字同樣，後續的操做都有用到它，把它做爲參數，經過它來進行一些操做。 服務器
經常使用的函數有：網絡
- socket()
- bind()
- listen()
- connect()
- accept()
- write()
- read()
- close()
Socket 的交互流程
圖中展現了 TCP 協議的 socket 交互流程，描述以下：數據結構
- 服務器根據地址類型、socket 類型、以及協議來建立 socket。
- 服務器爲 socket 綁定 IP 地址和端口號。
- 服務器 socket 監聽端口號請求，隨時準備接收客戶端發來的鏈接，這時候服務器的 socket 並無所有打開。
- 客戶端建立 socket。
- 客戶端打開 socket，根據服務器 IP 地址和端口號試圖鏈接服務器 socket。
- 服務器 socket 接收到客戶端 socket 請求，被動打開，開始接收客戶端請求，知道客戶端返回鏈接信息。這時候 socket 進入阻塞狀態，阻塞是因爲 accept() 方法會一直等到客戶端返回鏈接信息後才返回，而後開始鏈接下一個客戶端的鏈接請求。
- 客戶端鏈接成功，向服務器發送鏈接狀態信息。
- 服務器 accept() 方法返回，鏈接成功。
- 服務器和客戶端經過網絡 I/O 函數進行數據的傳輸。
- 客戶端關閉 socket。
- 服務器關閉 socket。
這個過程當中，服務器和客戶端創建鏈接的部分，就體現了 TCP 三次握手的原理。 dom
下面詳細講一下 socket 的各函數。 socket
Socket 接口
socket 是系統提供的接口，而操做系統大多數都是用 C/C++ 開發的，天然函數庫也是 C/C++ 代碼。
socket 函數
該函數會返回一個套接字描述符（socket descriptor），可是該描述符僅是部分打開的，還不能用於讀寫。
如何完成打開套接字的工做，取決於咱們是客戶端仍是服務器。
函數原型
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);複製代碼
參數說明
domain:
協議域，決定了 socket 的地質類型，在通訊中必須採用對應的地址。
經常使用的協議族有：AF_INET（ipv4地址與端口號的組合）、AF_INET6（ipv6地址與端口號的組合）、AF_LOCAL（絕對路徑名做爲地址）。
該值的常量定義在 sys/socket.h 文件中。
type:
指定 socket 類型。
經常使用的類型有：SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等。
其中 SOCK_STREAM 表示提供面向鏈接的穩定數據傳輸，即 TCP 協議。
該值的常量定義在 sys/socket.h 文件中。
protocol:
指定協議。
經常使用的協議有：IPPROTO_TCP（TCP協議）、IPPTOTO_UDP（UDP協議）、IPPROTO_SCTP（STCP協議）。
當值位 0 時，會自動選擇 type 類型對應的默認協議。
bind 函數
由服務端調用，把一個地址族中的特定地址和 socket 聯繫起來。
函數原型
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);複製代碼
參數說明
sockfd:
即 socket 描述字，由 socket() 函數建立。
*addr：
一個 const struct sockaddr 指針，指向要綁定給 sockfd 的協議地址。
這個地址結構根據地址建立 socket 時的地址協議族不一樣而不一樣，例如 ipv4 對應 sockaddr_in，ipv6 對應 sockaddr_in6.
這幾個結構體在使用的時候，均可以強制轉換成 sockaddr。
下面是這幾個結構體對應的所在的頭文件：
sockaddr：sys/socket.hsockaddr_in：netinet/in.hsockaddr_in6：netinet6/in.h
_in 後綴意義：互聯網絡(internet)的縮寫，而不是輸入(input)的縮寫。
listen 函數
服務器調用，將 socket 從一個主動套接字轉化爲一個監聽套接字（listening socket）, 該套接字能夠接收來自客戶端的鏈接請求。
在默認狀況下，操做系統內核會認爲 socket 函數建立的描述符對應於主動套接字（active socket）。
函數原型
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);複製代碼
參數說明
sockfd:
即 socket 描述字，由 socket() 函數建立。
backlog:
指定在請求隊列中的最大請求數，進入的鏈接請求將在隊列中等待 accept() 它們。
connect 函數
由客戶端調用，與目的服務器的套接字創建一個鏈接。
函數原型
#include <sys/socket.h>
int connect(int clientfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);複製代碼
參數說明
clientfd:
目的服務器的 socket 描述符
*addr:
一個 const struct sockaddr 指針，包含了目的服務器 IP 和端口。
addrlen：
協議地址的長度，若是是 ipv4 的 TCP 鏈接，通常爲 sizeof(sockaddr_in);
accept 函數
服務器調用，等待來自客戶端的鏈接請求。
當客戶端鏈接，accept 函數會在 addr 中會填充上客戶端的套接字地址，而且返回一個已鏈接描述符（connected descriptor），這個描述符能夠用來利用 Unix I/O 函數與客戶端通訊。
函數原型
#indclude <sys/socket.h>
int accept(int listenfd, struct sockaddr *addr, int *addrlen);複製代碼
參數說明
listenfd:
服務器的 socket 描述字，由 socket() 函數建立。
*addr:
一個 const struct sockaddr 指針，用來存放提出鏈接請求客戶端的主機的信息
*addrlen:
協議地址的長度，若是是 ipv4 的 TCP 鏈接，通常爲 sizeof(sockaddr_in)。
close 函數
在數據傳輸完成以後，手動關閉鏈接。
函數原型
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
int close(int fd);複製代碼
參數說明
fd:
須要關閉的鏈接 socket 描述符
網絡 I/O 函數
當客戶端和服務器創建鏈接後，可使用網絡 I/O 進行讀寫操做。
網絡 I/O 操做有下面幾組：
- read()/write()
- recv()/send()
- readv()/writev()
- recvmsg()/sendmsg()
- recvfrom()/sendto()
最經常使用的是 read()/write()
他們的原型是：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);複製代碼
鑑於該文是側重於描述 socket 的工做原理，就再也不詳細描述這些函數了。
實現一個簡單 TCP 交互
服務端
// socket_server.cpp
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#define MAXLINE 4096 // 4 * 1024
int main(int argc, char **argv) {
int listenfd, // 監聽端口的 socket 描述符
connfd; // 鏈接端 socket 描述符
struct sockaddr_in servaddr;
char buff[MAXLINE];
int n;
// 建立 socket，而且進行錯誤處理
if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
{
printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
return 0;
}
// 初始化 sockaddr_in 數據結構
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(6666);
// 綁定 socket 和 端口
if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
{
printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
return 0;
}
// 監聽鏈接
if (listen(listenfd, 10) == -1)
{
printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
return 0;
}
printf("====== Waiting for client's request======\n");
// 持續接收客戶端的鏈接請求
while (true)
{
if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)NULL, NULL) == -1))
{
printf("accept socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
continue;
}
n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);
buff[n] = '\0';
printf("recv msg from client: %s\n", buff);
close(connfd);
}
close(listenfd);
return 0;
}複製代碼
客戶端
// socket_client.cpp
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#define MAXLINE 4096
int main(int argc, char **argv) {
int sockfd, n;
char recvline[4096], sendline[4096];
struct sockaddr_in servaddr;
if (argc != 2)
{
printf("usage: ./client <ipaddress>\n");
return 0;
}
// 建立 socket 描述符
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
{
printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
return 0;
}
// 初始化目標服務器數據結構
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(6666);
// 從參數中讀取 IP 地址
if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0)
{
printf("inet_pton error for %s\n", argv[1]);
return 0;
}
// 鏈接目標服務器，並和 sockfd 聯繫起來。
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
{
printf("connect error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
return 0;
}
printf("send msg to server: \n");
// 從標準輸入流中讀取信息
fgets(sendline, 4096, stdin);
// 經過 sockfd，向目標服務器發送信息
if (send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)
{
printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
return 0;
}
// 數據傳輸完畢，關閉 socket 鏈接
close(sockfd);
return 0;
}複製代碼
Run
首先建立 makefile 文件
all:server client
server:socket_server.o
g++ -g -o socket_server socket_server.o
client:socket_client.o
g++ -g -o socket_client socket_client.o
socket_server.o:socket_server.cpp
g++ -g -c socket_server.cpp
socket_client.o:socket_client.cpp
g++ -g -c socket_client.cpp
clean:all
rm all複製代碼
而後使用命令:
$ make複製代碼
會生成兩個可執行文件：
socket_serversocket_client
分別打開兩個終端，運行：
./socket_server./socket_client 127.0.0.1
而後在 socket_client 中鍵入發送內容，能夠再 socket_server 接收到一樣的信息。
參考
- 1. 網絡編程 TCP理解
- 2. 六. 網絡編程(解決黏包TCP）
- 3. 【TCP/IP網絡編程】：01理解網絡編程和套接字
- 4. linux網絡編程之TCP接口詳解
- 5. 網絡編程之基本TCP套接口函數解析
- 6. 《網絡應用程序設計》——TCP 協議的理解及套接口編程
- 7. TCP/IP網絡編程之網絡編程和套接字
- 8. 網絡編程 TCP編程
- 9. 網絡編程-tcp
- 10. 網絡編程—tcp
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- 1. 網絡編程 TCP理解
- 2. 六. 網絡編程(解決黏包TCP）
- 3. 【TCP/IP網絡編程】：01理解網絡編程和套接字
- 4. linux網絡編程之TCP接口詳解
- 5. 網絡編程之基本TCP套接口函數解析
- 6. 《網絡應用程序設計》——TCP 協議的理解及套接口編程
- 7. TCP/IP網絡編程之網絡編程和套接字
- 8. 網絡編程 TCP編程
- 9. 網絡編程-tcp
- 10. 網絡編程—tcp