Linux 网络编程——TCP编程
概述
TCP（Transmission
Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
TCP 具有以下特点：
1）电话系统服务模式的抽象
2）每一次完整的数据传输都要经过建立连接、使用连接、终止连接的过程
3）可靠、出错重传、且每收到一个数据都要给出相应的确认，保证数据传输的可靠性
TCP 编程的 C/S 架构
基于 TCP 的网络编程开发分为服务器端和客户端两部分，常见的核心步骤和流程如下：
TCP 客户端编程
创建一个用于网络通信的 socket套接字（描述符），详细用法，请看《套接字的介绍》
family：本示例写 AF_INET，代表 IPv4type：本示例写 SOCK_STREAM，代表 TCP 数据流protocol：这里写 0，设为 0 表示使用默认协议
成功：套接字失败 < 0
int connect( int sockfd,
const struct sockaddr *addr,
socklen_t len );
功能：
主动跟服务器建立连接，有点类似于，我们给别人电话，主动拨对方的电话号码，具体是怎么一个过程，请《connect()、listen()和accept()三者之间的关系》。
参数：
sockfd：socket()返回的套接字
addr：连接的服务器地址结构
len：地址结构体长度
返回值：
成功：0
失败：-1
connect() 函数相当于拨号码，只有拨通号码并且确定对方是自己要找的人（三次握手）才能进行下一步的通信。
ssize_t send(int sockfd,
const void* buf,
size_t nbytes,
int flags);
功能：
发送数据，最后一个参数为 0 时，可以用 write() 替代（ send 等同于 write ）。注意：不能用 TCP 协议发送 0 长度的数据包。假如，数据没有发送成功，内核会自动重发。
参数：
sockfd： 已建立连接的套接字
buf： 发送数据的地址
nbytes： 发送缓数据的大小(以字节为单位)
flags： 套接字标志（常为 0）
返回值：
成功：成功发送的字节数
失败 < 0
这里通过 Windows 的网络调试助手和虚拟机中的 ubuntu 客户端程序进行通信，网络调试助手下载请点此处。
Windows 的网络调试助手作为 TCP 服务器，接收客户端的请求，调试助手配置如下：
对于 TCP 客户端编程流程，有点类似于打电话过程：找个可以通话的手机（ socket() ） -> 拨通对方号码并确定对方是自己要找的人（ connect() ） -> 主动聊天（ send() 或 write() ） -> 或者，接收对方的回话（ recv() 或 read() ） -> 通信结束后，双方说再见挂电话（ close() ）。
虚拟机中 ubuntu 的 TCP 客户端程序代码：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
unsigned short port = 8080; // 服务器的端口号
char *server_ip = "10.221.20.10"; // 服务器ip地址
if( argc > 1 ) //函数传参，可以更改服务器的ip地址
{
server_ip = argv[1];
}
if( argc > 2 ) //函数传参，可以更改服务器的端口号
{
port = atoi(argv[2]);
}
int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 创建通信端点：套接字
if(sockfd < 0)
{
perror("socket");
exit(-1);
}
// 设置服务器地址结构体
struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化服务器地址
server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4
server_addr.sin_port = htons(port); // 端口
inet_pton(AF_INET, server_ip, &server_addr.sin_addr); // ip
// 主动连接服务器
int err_log = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
if(err_log != 0)
{
perror("connect");
close(sockfd);
exit(-1);
}
char send_buf[512] = {0};
printf("send data to %s:%d\n",server_ip,port);
while(1)
{
printf("send:");
fgets(send_buf,sizeof(send_buf),stdin); // 输入内容
send_buf[strlen(send_buf)-1]='\0';
send(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0); // 向服务器发送信息
}
close(sockfd);
return 0;
}运行结果如下：
对于客户端，也是可以接收数据，前提为，客户端先给服务器发送数据。
ssize_t recv(int sockfd,
void *buf,
size_t nbytes,
int flags);
功能：
接收网络数据，默认的情况下，如果没有接收到数据，这个函数会阻塞，直到有数据到来。
参数：
sockfd：套接字
buf： 接收网络数据的缓冲区的地址
nbytes：接收缓冲区的大小（以字节为单位）
flags： 套接字标志（常为 0 ）
返回值：
成功：成功接收的字节数
失败 < 0
测试代码如下：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
unsigned short port = 8080; // 服务器的端口号
char *server_ip = "10.221.20.10"; // 服务器ip地址
if( argc > 1 ) //函数传参，可以更改服务器的ip地址
{
server_ip = argv[1];
}
if( argc > 2 ) //函数传参，可以更改服务器的端口号
{
port = atoi(argv[2]);
}
int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 创建通信端点：套接字
if(sockfd < 0)
{
perror("socket");
exit(-1);
}
// 设置服务器地址结构体
struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化服务器地址
server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4
server_addr.sin_port = htons(port); // 端口
inet_pton(AF_INET, server_ip, &server_addr.sin_addr); // ip
// 主动连接服务器
int err_log = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
if(err_log != 0)
{
perror("connect");
close(sockfd);
exit(-1);
}
printf("send data to %s:%d\n",server_ip,port);
char send_buf[512] = "Hi, I am Mike.";
send(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0); // 向服务器发送信息
char recv_buf[512] = {0};
recv(sockfd, recv_buf, sizeof(send_buf), 0); // 接收数据
printf("recv_buf ========== %s\n", recv_buf);
close(sockfd);
return 0;
}运行结果如下：
TCP 服务器编程
做为 TCP 服务器需要具备的条件呢？
- 具备一个可以确知的地址（ bind() ）：相当于我们要明确知道移动客服的号码，才能给他们电话;
- 让操作系统知道是一个服务器，而不是客户端（ listen() ）：相当于移动的客服，他们主要的职责是被动接听用户电话，而不是主动打电话骚扰用户；
- 等待连接的到来（ accept() ）：移动客服时刻等待着，来一个客户接听一个。
接收端使用 bind() 函数，来完成地址结构与
socket 套接字的绑定，这样 ip、port 就固定了，发送端即可发送数据给有明确地址( ip+port ) 的接收端。
int bind( int sockfd,
const struct sockaddr *myaddr，
socklen_t addrlen );
功能：
将本地协议地址与 sockfd 绑定，这样 ip、port 就固定了
参数：
sockfd：socket 套接字
myaddr： 指向特定协议的地址结构指针
addrlen：该地址结构的长度
返回值：
成功：返回 0
失败：-1
使用实例如下：
// 本地网络地址
struct sockaddr_in my_addr;
bzero(&my_addr, sizeof(my_addr)); // 清空结构体内容
my_addr.sin_family = AF_INET; // ipv4
my_addr.sin_port = htons(port); // 端口转换
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定网卡所有ip地址，INADDR_ANY为通配地址，值为0
printf("Binding server to port %d\n", port);
int err_log;
err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr)); // 绑定
if(err_log != 0)
{
perror("bind");
close(sockfd);
exit(-1);
}int listen(int sockfd, int backlog);
功能：
将套接字由主动修改为被动，使操作系统为该套接字设置一个连接队列，用来记录所有连接到该套接字的连接。更详细说明，请看《connect()、listen()和accept()三者的关系》。
参数：
sockfd： socket监听套接字
backlog：连接队列的长度
返回值：
成功：返回0
失败：其他
int accept( int sockfd,
struct sockaddr *cliaddr,
socklen_t *addrlen );
功能：
从已连接队列中取出一个已经建立的连接，如果没有任何连接可用，则进入睡眠等待（阻塞）。更详细说明，请看《connect()、listen()和accept()三者的关系》。
参数：
sockfd： socket监听套接字
cliaddr： 用于存放客户端套接字地址结构
addrlen：套接字地址结构体长度的地址
返回值：
对于 TCP 服务器编程流程，有点类似于接电话过程：找个可以通话的手机（socket() ） -> 插上电话卡固定一个号码（ bind() ） -> 职责为被动接听，给手机设置一个铃声来监听是否有来电（ listen() ） -> 有来电，确定双方的关系后，才真正接通不挂电话（ accept() ） -> 接听对方的诉说（ recv() ） -> 适当给些回话（ send() ）-> 通信结束后，双方说再见挂电话（ close() ）。成功：已连接套接字。注意：返回的是一个已连接套接字，这个套接字代表当前这个连接
失败：< 0
ubuntu 中的服务器代码如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
unsigned short port = 8080; // 本地端口
if(argc > 1)
{
port = atoi(argv[1]);
}
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建通信端点：套接字
if(sockfd < 0)
{
perror("socket");
exit(-1);
}
// 设置本地地址结构体
struct sockaddr_in my_addr;
bzero(&my_addr, sizeof(my_addr)); // 清空
my_addr.sin_family = AF_INET; // ipv4
my_addr.sin_port = htons(port); // 端口
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // ip
// 绑定
int err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));
if( err_log != 0)
{
perror("binding");
close(sockfd);
exit(-1);
}
err_log = listen(sockfd, 10); // 监听，监听套接字改为被动
if(err_log != 0)
{
perror("listen");
close(sockfd);
exit(-1);
}
printf("listen client @port=%d...\n",port);
while(1)
{
struct sockaddr_in client_addr;
char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = "";
socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr);
int connfd;
// 等待连接
connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);
if(connfd < 0)
{
perror("accept");
continue;
}
inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);
printf("----------------------------------------------\n");
printf("client ip=%s,port=%d\n", cli_ip,ntohs(client_addr.sin_port));
char recv_buf[512] = "";
while( recv(connfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0) > 0 ) // 接收数据
{
printf("\nrecv data:\n");
printf("%s\n",recv_buf);
}
close(connfd); //关闭已连接套接字
printf("client closed!\n");
}
close(sockfd); //关闭监听套接字
return 0;
}
Windows 的网络调试助手作为 TCP 客户端，给 ubuntu 中的服务器发送数据，运行结果如下：
关闭连接：close()
使用 close() 函数即可关闭套接字，关闭一个代表已连接套接字将导致另一端接收到一个 0 长度的数据包，详情请看《 TCP 四次挥手》。
做服务器时
- 关闭监听套接字（ socket()和listen()之后的套接字 ）将导致服务器无法接收新的连接，但不会影响已经建立的连接；
- 关闭 accept()返回的已连接套接字将导致它所代表的连接被关闭，但不会影响服务器的监听（ socket()和listen()之后的套接字 ）。
做客户端时
通常的情况下，是先关闭客户端，再关闭服务器，如果是先关闭服务器，立马启动服务器是，服务器绑定的端口不会立马释放（如下图），要过 1 分钟左右才会释放，为什么会这样的呢？请看《 TCP 四次挥手》。有没有方法让服务器每次启动都能立即成功？请看《端口复用》。关闭连接就是关闭连接，不意味着其他。
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