Linux 網路程式設計——TCP程式設計
概述
TCP 具有以下特點：
1）電話系統服務模式的抽象
2）每一次完整的資料傳輸都要經過建立連線、使用連線、終止連線的過程
3）可靠、出錯重傳、且每收到一個數據都要給出相應的確認，保證資料傳輸的可靠性
TCP 程式設計的 C/S 架構
基於 TCP 的網路程式設計開發分為伺服器端和客戶端兩部分，常見的核心步驟和流程如下：
TCP 客戶端程式設計
對於 TCP 客戶端程式設計流程，有點類似於打電話過程：找個可以通話的手機（socket() ） -> 撥通對方號碼並確定對方是自己要找的人（ connect() ） -> 主動聊天（ send() 或 write() ）-> 或者，接收對方的回話（所需標頭檔案：#include <sys/socket.h>int socket(int family,int type,int protocol);
功能：
建立一個用於網路通訊的 socket套接字（描述符），詳細用法，請看《套接字的介紹》引數：
family：本示例寫 AF_INET，代表 IPv4type：本示例寫 SOCK_STREAM，代表 TCP 資料流protocol：這裡寫 0，設為 0 表示使用預設協議返回值：
成功：套接字失敗 < 0
int connect( int sockfd,
功能：
引數：
addr：連線的伺服器地址結構
len：地址結構體長度
返回值：
成功：0
失敗：-1
connect() 函式相當於撥號碼，只有撥通號碼並且確定對方是自己要找的人（三次握手）才能進行下一步的通訊。
ssize_t send(int sockfd, const void* buf,size_t nbytes, int flags);
功能：
傳送資料，最後一個引數為 0 時，可以用 write() 替代（ send 等同於 write ）。注意：不能用 TCP 協議傳送 0 長度的資料包。假如，資料沒有傳送成功，核心會自動重發。
引數：
sockfd： 已建立連線的套接字
buf： 傳送資料的地址
nbytes： 傳送緩資料的大小(以位元組為單位)
flags： 套接字標誌（常為 0）
返回值：
成功：成功傳送的位元組數
失敗 < 0
這裡通過 Windows 的網路除錯助手和虛擬機器中的 ubuntu 客戶端程式進行通訊，網路除錯助手下載請點此處。
Windows 的網路除錯助手作為 TCP 伺服器，接收客戶端的請求，除錯助手配置如下：
虛擬機器中 ubuntu 的 TCP 客戶端程式程式碼：
#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; // 伺服器的埠號
char *server_ip = "10.221.20.10"; // 伺服器ip地址
if( argc > 1 ) //函式傳參，可以更改伺服器的ip地址
{
server_ip = argv[1];
}
if( argc > 2 ) //函式傳參，可以更改伺服器的埠號
{
port = atoi(argv[2]);
}
int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 建立通訊端點：套接字
if(sockfd < 0)
{
perror("socket");
exit(-1);
}
// 設定伺服器地址結構體
struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化伺服器地址
server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4
server_addr.sin_port = htons(port); // 埠
inet_pton(AF_INET, server_ip, &server_addr.sin_addr); // ip
// 主動連線伺服器
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); // 輸入內容
send_buf[strlen(send_buf)-1]='\0';
send(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0); // 向伺服器傳送資訊
}
close(sockfd);
return 0;
}
執行結果如下：
對於客戶端，也是可以接收資料，前提為，客戶端先給伺服器傳送資料。
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t nbytes, int flags);
功能：
接收網路資料，預設的情況下，如果沒有接收到資料，這個函式會阻塞，直到有資料到來。
引數：
sockfd：套接字
buf：接收網路資料的緩衝區的地址
nbytes：接收緩衝區的大小（以位元組為單位）
flags：套接字標誌（常為 0 ）
返回值：
成功：成功接收的位元組數
失敗 < 0
測試程式碼如下：
#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; // 伺服器的埠號
char *server_ip = "10.221.20.10"; // 伺服器ip地址
if( argc > 1 ) //函式傳參，可以更改伺服器的ip地址
{
server_ip = argv[1];
}
if( argc > 2 ) //函式傳參，可以更改伺服器的埠號
{
port = atoi(argv[2]);
}
int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 建立通訊端點：套接字
if(sockfd < 0)
{
perror("socket");
exit(-1);
}
// 設定伺服器地址結構體
struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化伺服器地址
server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4
server_addr.sin_port = htons(port); // 埠
inet_pton(AF_INET, server_ip, &server_addr.sin_addr); // ip
// 主動連線伺服器
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); // 向伺服器傳送資訊
char recv_buf[512] = {0};
recv(sockfd, recv_buf, sizeof(send_buf), 0); // 接收資料
printf("recv_buf ========== %s\n", recv_buf);
close(sockfd);
return 0;
}執行結果如下：
TCP 伺服器程式設計
做為 TCP 伺服器需要具備的條件呢？
- 具備一個可以確知的地址（ bind() ）：相當於我們要明確知道移動客服的號碼，才能給他們電話;
- 讓作業系統知道是一個伺服器，而不是客戶端（ listen() ）：相當於移動的客服，他們主要的職責是被動接聽使用者電話，而不是主動打電話騷擾使用者；
- 等待連線的到來（ accept() ）：移動客服時刻等待著，來一個客戶接聽一個。
接收端使用 bind() 函式，來完成地址結構與socket 套接字的繫結，這樣 ip、port 就固定了，傳送端即可傳送資料給有明確地址( ip+port ) 的接收端。
對於 TCP 伺服器程式設計流程，有點類似於接電話過程：找個可以通話的手機（socket() ） -> 插上電話卡固定一個號碼（ bind() ） -> 職責為被動接聽，給手機設定一個鈴聲來監聽是否有來電（ listen() ） -> 有來電，確定雙方的關係後，才真正接通不掛電話（ accept() ） -> 接聽對方的訴說（ recv() ） -> 適當給些回話（ send() ）-> 通訊結束後，雙方說再見掛電話（ close() ）。
int bind( int sockfd, const struct sockaddr *myaddr，socklen_t addrlen );
功能：
將本地協議地址與 sockfd 繫結，這樣 ip、port 就固定了
引數：
myaddr： 指向特定協議的地址結構指標
addrlen：該地址結構的長度
返回值：
成功：返回 0
失敗：-1
使用例項如下：
// 本地網路地址
struct sockaddr_in my_addr;
bzero(&my_addr, sizeof(my_addr)); // 清空結構體內容
my_addr.sin_family = AF_INET; // ipv4
my_addr.sin_port = htons(port); // 埠轉換
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 繫結網絡卡所有ip地址，INADDR_ANY為通配地址，值為0
printf("Binding server to port %d\n", port);
int err_log;
err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr)); // 繫結
if(err_log != 0)
{
perror("bind");
close(sockfd);
exit(-1);
}int listen(int sockfd, int backlog);
功能：
引數：
sockfd： socket監聽套接字
backlog：連線佇列的長度
返回值：
成功：返回0
失敗：其他
int accept( int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen );
功能：
引數：
sockfd： socket監聽套接字
cliaddr： 用於存放客戶端套接字地址結構
addrlen：套接字地址結構體長度的地址
返回值：
成功：已連線套接字。注意：返回的是一個已連線套接字，這個套接字代表當前這個連線
失敗：< 0
ubuntu 中的伺服器程式碼如下：
#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; // 本地埠
if(argc > 1)
{
port = atoi(argv[1]);
}
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 建立通訊端點：套接字
if(sockfd < 0)
{
perror("socket");
exit(-1);
}
// 設定本地地址結構體
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); // 埠
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // ip
// 繫結
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); // 監聽，監聽套接字改為被動
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;
// 等待連線
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 ) // 接收資料
{
printf("\nrecv data:\n");
printf("%s\n",recv_buf);
}
close(connfd); //關閉已連線套接字
printf("client closed!\n");
}
close(sockfd); //關閉監聽套接字
return 0;
}Windows 的網路除錯助手作為 TCP 客戶端，給 ubuntu 中的伺服器傳送資料，執行結果如下：
關閉連線：close()
使用 close() 函式即可關閉套接字，關閉一個代表已連線套接字將導致另一端接收到一個 0 長度的資料包，詳情請看《 TCP 四次揮手》。
做伺服器時
- 關閉監聽套接字（ socket()和listen()之後的套接字 ）將導致伺服器無法接收新的連線，但不會影響已經建立的連線；
- 關閉 accept()返回的已連線套接字將導致它所代表的連線被關閉，但不會影響伺服器的監聽（ socket()和listen()之後的套接字 ）。
做客戶端時
關閉連線就是關閉連線，不意味著其他。
如果客戶端和伺服器已經連線成功的前提下，通常的情況下，先關閉客戶端，再關閉伺服器，如果是先關閉伺服器，立馬啟動伺服器是，伺服器繫結的埠不會立馬釋放（如下圖），要過 1 分鐘左右才會釋放，為什麼會這樣的呢？請看《 TCP 四次揮手》。有沒有方法讓伺服器每次啟動都能立即成功？請看《埠複用》。
