Linux网络编程一站式学习
提要
学过很多遍计算机网络，依然不会网络编程。
看完这篇文章之后就不会是这样了。
环境：Ubuntu14.04 64bit
何为Socket
是基于TCP/IP的网络应用编程中使用的有关数据通信的概念，通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。在Internet上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。Socket正如其英文原意那样，像一个多孔插座。一台主机犹如布满各种插座的房间，每个插座有一个编号，有的插座提供220伏交流电， 有的提供110伏交流电，有的则提供有线电视节目。 客户软件将插头插到不同编号的插座，就可以得到不同的服务。
基于TCP协议的网络程序
下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程：
借助这个图，我们可以很清晰地把socket的一些接口和TCP/IP中服务器和客户端状态转换的对应关系。
准备状态
服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后，调用accept()阻塞等待，处于监听端口的状态，客户端调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK段，服务器收到后从accept()返回。
数据传输的过程
建立连接后，TCP协议提供全双工的通信服务，但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主动发起请求，服务器被动处理请求，一问一答的方式。因此，服务器从accept()返回后立刻调用read()，读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待，这时客户端调用write()发送请求给服务器，服务器收到后从read()返回，对客户端的请求进行处理，在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答，服务器调用write()将处理结果发回给客户端，再次调用read()阻塞等待下一条请求，客户端收到后从read()返回，发送下一条请求，如此循环下去。
如果客户端没有更多的请求了，就调用close()关闭连接，就像写端关闭的管道一样，服务器的read()返回0，这样服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close()关闭连接。注意，任何一方调用close()后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。如果一方调用shutdown()则连接处于半关闭状态，仍可接收对方发来的数据。
在学习socket API时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的： *应用程序调用某个socket函数时TCP协议层完成什么动作，比如调用connect()会发出SYN段 *应用程序如何知道TCP协议层的状态变化，比如从某个阻塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段，再比如read()返回0就表明收到了FIN段。
码砖开始
先跑代码再解释。
服务端，server.c
/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000
int main(void)
{
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
socklen_t cliaddr_len;
int listenfd, connfd;
char buf[MAXLINE];
char str[INET_ADDRSTRLEN];
int i, n;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
listen(listenfd, 20);
printf("Accepting connections ...\n");
while (1) {
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
connfd = accept(listenfd,
(struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
n = read(connfd, buf, MAXLINE);
printf("received from %s at PORT %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
ntohs(cliaddr.sin_port));
for (i = 0; i < n; i++)
buf[i] = toupper(buf[i]);
write(connfd, buf, n);
close(connfd);
}
}客户端，client.c
/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sockaddr_in servaddr;
char buf[MAXLINE];
int sockfd, n;
char *str;
if (argc != 2) {
fputs("usage: ./client message\n", stderr);
exit(1);
}
str = argv[1];
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
write(sockfd, str, strlen(str));
n = read(sockfd, buf, MAXLINE);
printf("Response from server:\n");
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
close(sockfd);
return 0;
}编译
gcc client.c -o client gcc server.c -o server
运行结果
从头文件开始解释
unistd.h - unistd.h 中所定义的接口通常都是大量针对系统调用的封装（英语：wrapper functions），如 fork、pipe 以及各种 I/O 原语（read、write、close 等等）。
sys/socket.h - 提供 socket 函数及数据结构 .
netinet/in.h - 定义数据结构sockaddr_in,包含IPv4和IPv6的地址格式定义。
arpa/inet.h - 提供IP地址转换函数，比如大小端的转换，还有ip地址的表达方式的转换。
看server的main函数。
16行,声明两个socketaddr_in结构体。IPv4地址用sockaddr_in结构体表示，包括16位端口号和32位IP地址.IPv6地址用sockaddr_in6结构体表示，包括16位端口号、128位IP地址和一些控制字段。
17行，声明一个记录客户端地址长度的变量，socklen_t就是socket中用来表示长度的类型。Linus Torvalds(他希望有更多的人,但显然不是很多) 努力向他们解释使用size_t是完全错误的,因为在64位结构中 size_t和int的长度是不一样的,而这个参数(也就是accept函数 的第三参数)的长度必须和int一致,因为这是BSD套接字接口 标准.最终POSIX的那帮家伙找到了解决的办法,那就是创造了 一个新的类型"socklen_t".
23行，打开一个网络通信端口，函数原型是：
int socket(int family, int type, int protocol);
socket()打开一个网络通讯端口，如果成功的话，就像open()一样返回一个文件描述符，应用程序可以像读写文件一样用read/write在网络上收发数据，如果socket()调用出错则返回-1。对于IPv4，family参数指定为AF_INET。对于TCP协议，type参数指定为SOCK_STREAM，表示面向流的传输协议。
25-28行，首先将整个结构体清零，然后设置地址类型为AF_INET，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，端口号为SERV_PORT，我们定义为8000。
30行，调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号。bind()成功返回0，失败返回-1。函数原型：
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
bind()的作用是将参数sockfd和myaddr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听myaddr所描述的地址和端口号。
32行，声明listenfd处于监听状态，并且最多允许有20个客户端处于连接待状态，如果接收到更多的连接请求就忽略。listen()成功返回0，失败返回-1。
25-49行，整个是一个while死循环，每次循环处理一个客户端连接。由于cliaddr_len是传入传出参数，每次调用accept()之前应该重新赋初值。accept()的参数listenfd是先前的监听文件描述符，而accept()的返回值是另外一个文件描述符connfd，之后与客户端之间就通过这个connfd通讯，最后关闭connfd断开连接，而不关闭listenfd，再次回到循环开头listenfd仍然用作accept的参数。accept()成功返回一个文件描述符，出错返回-1。
客户端少了bind，多了个connect函数。由于客户端不需要固定的端口号，因此不必调用bind()，客户端的端口号由内核自动分配。注意，客户端不是不允许调用bind()，只是没有必要调用bind()固定一个端口号，服务器也不是必须调用bind()，但如果服务器不调用bind()，内核会自动给服务器分配监听端口，每次启动服务器时端口号都不一样，客户端要连接服务器就会遇到麻烦。connect函数原型：
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);
客户端需要调用connect()连接服务器，connect和bind的参数形式一致，区别在于bind的参数是自己的地址，而connect的参数是对方的地址。connect()成功返回0，出错返回-1。
小小的封装一下
代码虽然可以work，但是看着着实有点蛋疼,而且整个代码有流程的报错，出错了也很难处理，首先是把socket的相关函数封装一遍，
wrap.h
#include <stdlib.h> #include <sys/socket.h> #include <errno.h> //Print error message and exit. void perr_exit(const char *s); //Server accept message from client. int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr); void Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen); void Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen); void 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 Readn(int fd, void *vptr, size_t n); ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes); ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n); static ssize_t my_read(int fd, char *ptr); ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen); void Close(int fd);
wrap.c
#include "wrap.h"
//Print error message and exit
void perr_exit(const char *s)
{
perror(s);
exit(1);
}
//Server accept message from client.
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;
else
perr_exit("accept error");
}
return n;
}
void Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{
if(bind(fd, sa, salen) < 0)
{
perr_exit("bind error");
}
}
void Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{
if(connect(fd, sa, salen) < 0)
{
perr_exit("connet error");
}
}
void Listen(int fd, int backlog)
{
if(listen(fd, backlog) < 0)
{
perr_exit("listen error");
}
}
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;
else
return -1;
}
return n;
}
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n)
{
size_t nleft;
ssize_t nread;
char *ptr;
ptr = vptr;
nleft = n;
while (nleft > 0) {
if ( (nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {
if (errno == EINTR)
nread = 0;
else
return -1;
} else if (nread == 0)
break;
nleft -= nread;
ptr += nread;
}
return n - nleft;
}
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;
else
return -1;
}
return n;
}
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;
}
else
{
return -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;
} else
return -1;
}
*ptr = 0;
return n;
}
void Close(int fd)
{
if(close(fd) == -1)
{
perr_exit("close error");
}
}
这里的错误处理主要使用了erron和perr函数。
当linux中的C api函数发生异常时,一般会将errno变量(需include errno.h)赋一个整数值,不同的值表示不同的含义,可以通过查看该值推测出错的原因，在实际编程中用这一招解决了不少原本看来莫名其妙的问题。但是errno是一个数字，代表的具体含义还要到errno.h中去阅读宏定义，而每次查阅是一件很繁琐的事情。有下面几种方法可以方便的得到错误信息
(1)void perror(const char *s)
函数说明
perror ( )用来将上一个函数发生错误的原因输出到标准错误(stderr),参数s 所指的字符串会先打印出,后面再加上错误原因 字符串。此错误原因依照全局变量
errno 的值来决定要输出的字符串。
(2) char *strerror(int errno)
将错误代码转换为字符串错误信息,可以将该字符串和其它的信息组合输出到用户界面例如
fprintf(stderr,"error in CreateProcess %s, Process ID %d
",strerror(errno),processID)
注：假设processID是一个已经获取了的整形ID
(3)printf("%m", errno);
另外不是所有的地方发生错误的时候都可以通过error获取错误代码，例如下面的代码段
将client改成连接成功后可以多次发送消息的模式。
client.c
/* client.c */
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sockaddr_in servaddr;
char buf[MAXLINE];
int sockfd, n;
char *str;
sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
while(fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL)
{
Write(sockfd, buf, strlen(buf));
n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);
if(n == 0)
{
printf("The other side has been closed.\n");
}
else
{
Write(STDOUT_FILENO, buf, n);
}
}
Close(sockfd);
return 0;
}
sever.c也要做一点修改，使它可以多次处理同一客户端的请求。
/* server.c */
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000
int main(void)
{
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
socklen_t cliaddr_len;
int listenfd, connfd;
char buf[MAXLINE];
char str[INET_ADDRSTRLEN];
int i, n;
listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
Listen(listenfd, 20);
printf("Accepting connections ...\n");
while (1) {
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
connfd = Accept(listenfd,
(struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
while(1)
{
n = Read(connfd, buf, MAXLINE);
if(n == 0)
{
printf("The other side has been closed!\n" );
break;
}
printf("received from %s at PORT %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
ntohs(cliaddr.sin_port));
for (i = 0; i < n; i++)
buf[i] = toupper(buf[i]);
Write(connfd, buf, n);
}
Close(connfd);
}
}
运行结果
小作业 - 简单的Web服务器
先按下面的步骤做：
1.终端输入ifconfig,查看自己的ip地址；
2.运行上面编译好的server程序；
3.在浏览器的地址栏里面输入：X.X.X.X:80
（X.X.X.X是你的ip地址）
得到浏览器的运行结果是
这就是一个简单的http请求。
在这个通信过程中，服务器就是我们的server程序，浏览器就是client。server启动之后，就开始监听对应的端口，这时在浏览器中输入本机的ip和端口，这时浏览器向服务器发送的HTTP协议头，server中的处理就是将所有字母都改成大写，然后再write回socket，client最后得到的就是toupper的请求信息。
我们实现的Web服务器只要能正确解析第一行就行了，这是一个GET请求，请求的是服务目录的根目录/（在本例中实际上是/var/www），Web服务器应该把该目录下的索引页（默认是index.html）发给浏览器，也就是把/var/www/index.html发给浏览器。假如该文件的内容如下（HTML文件没必要以"\r\n"换行，以"\n"换行就可以了）。简单的index.html
<html> <head><title>Test Page</title></head> <body> <p>Hello,Server.</p> </body> </html>
则server返回的数据就是
HTTP/1.1 200 OK Content-Type: text/html <html> <head><title>Test Page</title></head> <body> <p>Test OK</p> </body> </html>
服务器应答的HTTP头也是每行末尾以回车加换行结束，最后跟一个空行的回车加换行。
HTTP头的第一行是协议版本和应答码，200表示成功，后面的消息OK其实可以随意写，浏览器是不关心的，主要是为了调试时给开发人员看的。虽然网络协议最终是程序与程序之间的对话，但是在开发过程中却是人与程序之间的对话，一个设计透明的网络协议可以提供很多直观的信息给开发人员，因此，很多应用层网络协议，如HTTP、FTP、SMTP、POP3等都是基于文本的协议，为的是透明性（transparency）。
HTTP头的第二行表示即将发送的文件的类型（称为MIME类型），这里是text/html，纯文本文件是text/plain，图片则是image/jpg、image/png等。
然后就发送文件的内容，发送完毕之后主动关闭连接，这样浏览器就知道文件发送完了。这一点比较特殊：通常网络通信都是客户端主动发起连接，主动发起请求，主动关闭连接，服务器只是被动地处理各种情况，而HTTP协议规定服务器主动关闭连接（有些Web服务器可以配置成Keep-Alive的，我们不讨论这种情况）。
最终实现的server代码如下
/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "wrap.h"
#define MAXLINE 80
void loadConfig(int *port, char *path);
int main(void)
{
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
socklen_t cliaddr_len;
int listenfd, connfd;
char buf[MAXLINE];
char str[INET_ADDRSTRLEN];
int i, n;
int pd_index,ret;
int port;
char *path = NULL;
loadConfig(&port, path);
listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
int opt=1;
setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(port);
Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
Listen(listenfd, 20);
printf("Accepting connections ...\n");
while (1)
{
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
while(1)
{
n = Read(connfd, buf, MAXLINE);
if(n == 0)
{
printf("The other side has been closed!\n" );
break;
}
printf("received from %s at PORT %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
ntohs(cliaddr.sin_port));
i=0;
char title[15];
while(buf[i]!=‘\r‘)
{
title[i]=buf[i];
i++;
}
title[i]=‘\0‘;
if(0 == (strcmp(title,"GET / HTTP/1.1")))
{
bzero(buf,MAXLINE);
strcpy(buf,"HTTP/1.1 200 0K\r\n");
write(connfd,buf,strlen(buf));
bzero(buf,MAXLINE);
strcpy(buf,"Conent_Type: text/html\r\n");
write(connfd,buf,strlen(buf));
bzero(buf,MAXLINE);
buf[0]=‘\r‘;
buf[1]=‘\n‘;
write(connfd,buf,2);
pd_index=open("/var/www/index.html",O_RDONLY);
if(pd_index<0)
{
perr_exit("open file failed.\n");
}
bzero(buf,MAXLINE);
while((ret=read(pd_index,buf,MAXLINE))>0)
{
write(connfd,buf,ret);
printf("send index data...\n");
bzero(buf,MAXLINE);
}
}
}
Close(connfd);
}
}
void loadConfig(int *port, char *path)
{
FILE *fd;
fd = fopen("/etc/myhttpd.conf", "r");
if(fd < 0)
perr_exit("Can‘t load config.\n");
fscanf(fd, "Port=%d\nDirectory=%s",port, path);
}
最终运行结果
参考
Linux C编程一站式学习 - http://c4linux.letaoba.info/
在Ubuntu下实现一个简单的Web服务器 - http://www.linuxidc.com/Linux/2013-10/91160.htm
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