睿豐德科技 專注RFID識別技術和條碼識別技術與管理軟件的集成項目。質量追溯系統、MES系統、金蝶與條碼系統對接、用友與條碼系統對接

摘要：

    本文講述了TCP套接字編程模塊，包括服務器端的創建套接字、綁定、監聽、接受、讀/寫、終止連接，客戶端的創建套接字、連接、讀/寫、終止連接。先給出實例，進而結合代碼分析。

PS：本文權當復習套接字編程的讀書筆記。

一、TCP套接字編程模型

    同一臺計算機上運行的進程可以利用管道、消息隊列、信號量、共享內存等進行相互通信，不同計算機上運行的進程可以通過套接字網絡IPC接口進行相互通信。套接字編程基本步驟如下圖所示：

圖 TCP套接字編程模型[1]

二、源代碼

    本實例旨在實現簡單的echo服務，客戶端發送數據給服務端，在服務端打印出來并且回發給客戶端，并在客戶端顯示。

TCP_socket_programming_example源文件 TCP_socket_programming_example.rar   

2.1 TCP服務端

1. //filename:TCPserver.c
   

2. #include 
   

3. #include 
   

4. #include 
   

5. #include 
   

6.  

7. #define BACKLOG 10
   

8. #define BUFFER_SIZE 1024
   

9.  

10. int main(int argc, char *argv[])
    

11. {
    

12.   if(2 != argc)
    

13.   {
    

14.     printf("Usage:%s portnumber\n", argv[0]);
    

15.     return - 1;
    

16.   }
    

17.  

18.   /***1.create a socket***/
    

19.   int fd_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //TCP
    

20.   if( - 1 == fd_server)
    

21.   {
    

22.     printf("%s\n", strerror(errno));
    

23.     return - 1;
    

24.   }
    

25.  

26.   /***2.bind the socket***/
    

27.   int listen_port = atoi(argv[1]);
    

28.   struct sockaddr_in addr_server;
    

29.   //memset(&addr_server, 0, sizeof(addr_server));
    

30.   addr_server.sin_family = AF_INET;
    

31.   addr_server.sin_port = htons(listen_port);
    

32.   addr_server.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    

33.  

34.   if(bind(fd_server, (struct sockaddr*) &addr_server, sizeof(addr_server)) == - 1)
    

35.   {
    

36.     printf("%s\n", strerror(errno));
    

37.     return - 1;
    

38.   }
    

39.  

40.   /***3.listen the socket***/
    

41.   if(listen(fd_server, BACKLOG) == - 1)
    

42.   {
    

43.     printf("%s\n", strerror(errno));
    

44.     return - 1;
    

45.   }
    

46.  

47.   /***4.accept the requirement of some client***/
    

48.   struct sockaddr_in addr_client;
    

49.   int len_addr_client = sizeof(addr_client);
    

50.   int fd_client = accept(fd_server, (struct sockaddr*) &addr_client, &len_addr_client);
    

51.   if( - 1 == fd_client)
    

52.   {
    

53.     printf("%s\n", strerror(errno));
    

54.     return - 1;
    

55.   }
    

56.  

57.   /****5.serve the client******/
    

58.   char buf[BUFFER_SIZE];
    

59.   int size;
    

60.   while(1)
    

61.   {
    

62.     /***read from client***/
    

63.     size = recv(fd_client, buf, sizeof(buf), 0);
    

64.     buf[size] = '\0';
    

65.     printf("%s\n", buf);
    

66.  

67.     /***write to client***/
    

68.     size = send(fd_client, buf, strlen(buf), 0);
    

69.   }
    

70.  

71.   /****6.close the socket******/
    

72.   close(fd_server);
    

73.   close(fd_client);
    

74. }

2.2 TCP客戶端

點擊(此處)折疊或打開

1. //filename:TCPclient.c
   

2. #include 
   

3. #include 
   

4. #include 
   

5. #include 
   

6.  

7. #define BUFFER_SIZE 1024
   

8.  

9. int main(int argc, char *argv[])
   

10. {
    

11.   if(3 != argc)
    

12.   {
    

13.     printf("Usage:%s hostname portnumber\n", argv[0]);
    

14.     return - 1;
    

15.   }
    

16.  

17.   /***1.create a socket***/
    

18.   int fd_client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //TCP
    

19.   if( - 1 == fd_client)
    

20.   {
    

21.     printf("%s\n", strerror(errno));
    

22.     return - 1;
    

23.   }
    

24.   /***2.connect to the server***/
    

25.   int portnumber = atoi(argv[2]);
    

26.   struct sockaddr_in addr_server;
    

27.   addr_server.sin_family = AF_INET;
    

28.   addr_server.sin_port = htons(portnumber);
    

29.   if(0 == inet_pton(AF_INET, argv[1], (void*) &addr_server.sin_addr.s_addr))
    

30.   {
    

31.     printf("Invalid address.\n");
    

32.     return - 1;
    

33.   }
    

34.  

35.   if(connect(fd_client, (struct sockaddr*) &addr_server, sizeof(addr_server)) == - 1)
    

36.   {
    

37.     printf("%s\n", strerror(errno));
    

38.     return - 1;
    

39.   }
    

40.  

41.  

42.   /****3.get the server******/
    

43.   char buf[BUFFER_SIZE];
    

44.   int size;
    

45.   while(1)
    

46.   {
    

47.     /***write to server***/
    

48.     scanf("%s", buf);
    

49.     size = send(fd_client, buf, strlen(buf), 0);
    

50.  

51.     /***read from server***/
    

52.     size = recv(fd_client, buf, BUFFER_SIZE, 0);
    

53.  

54.     buf[size] = '\0';
    

55.     printf("%s\n", buf);
    

56.  

57.   }
    

58.   /****4.close the socket******/
    

59.   close(fd_client);
    

60. }

2.3 測試結果

$ ./TCPserver 2000

$ ./TCPclient 127.0.0.1 2000

三、源碼分析

3.1 創建套接字

1. int socket(int domain, int type, int protocol);//成功返回套接字描述符.出錯返回-1

    這一步事實上是確定通信特征，各個域domain有自己的格式表示地址，以AF_開頭(address family)；type確定套接字類型，如數據報、字節流；協議protocol對同一個域和套接字類型支持的多個協議進行選擇，通常為0，即按給定的域和套接字類型選擇默認的協議。典型的TCP、UDP如下：

1. TCP：(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)

2. 
   

3. UDP：(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)

注：

    盡管套接字本質是文件描述符，但不是所有用于文件操作的函數都能用于套接字操作，比如lseek，套接字不支持文件偏移量。

3.2 綁定

1. int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);//成功返回0.出錯返回-1

    bind函數用于將地址綁定到一個套接字。服務器需要給一個接收客戶端請求套接字綁定一個眾所周知的地址，而客戶端可以讓系統選一個默認地址綁定(無須綁定)。

(1) 套接字地址sockaddr_in

在IPv4因特網域AF_INET中，套接字地址用結構sockaddr_in表示，如下：

1. struct sockaddr_in

2. {

3.   sa_family_t sin_family; //unsigned short 地址族

4.   in_port_t sin_sport; //uint16_t

5.   struct in_addr sin_addr; //IPv4

6. };

7. 
   

8. struct in_addr

9. {

10.   in_addr_t s_addr; //uint32_t

11. };

注：

    初始化sockaddr_in結構體時，因為sin_port和sin_addr被封裝在網絡傳輸，所以端口號和地址必須用網絡字節序；而sin_family只是被內核用來決定數據結構包含什么類型的地址，沒有發送到到網絡，應該是本機字節順序。處理器與網絡字節序之間轉換函數為htonl、htons、ntohl、ntohs(h指host主機，n指network網絡，l指long32位，s指short16位)。

    理論上，端口號可以是0~65535，但1~1023已由IANA管理，綁定時端口號不少于1024[2]。

    此處的地址s_addr是二進制地址格式，如果參數是點分十進制字符串表示，則需通過函數inet_ntop(將網絡字節序的二進制地址轉換成點分十進制字符串表示)、inet_pton進行相互轉換。其轉換過程如下：

1. 127.0.0.1 --> 7F.0.0.1 --> 100007F=16777343(網絡字節序為大端)

    如果地址s_addr為ANADDR_ANY，套接字端點可以被綁定到所有系統網絡接口，即可以收到這個系統所安裝的所有網卡的數據包。

(2) 通用地址格式sockaddr

    地址格式與特定的通信域有關(如AF_INET、AF_INET6)，為使不同地址格式地址能夠傳入套接字函數，地址被強制轉換成通用的地址結構sockaddr，如下(以Linux為例)：

1. struct sockaddr

2. {

3.   unsigned short sa_family; /* address family, AF_xxx */

4.   char sa_data[14]; /* 14 bytes of protocol address */

5. };

3.3 監聽listen

1. int listen(int sockfd, int backlog);//成功返回0，出錯返回-1

    一旦服務器調用listen，套接字就能接收連接請求。backlog用于表示該進程所要入隊的連接請求數量，實際值由系統決定，但上限由SOMAXCONN指定。一旦隊列滿，系統會拒絕多余連接請求。

3.4 接受連接請求accept

1. //成功返回套接字描述符，出錯返回-1

2. int accept(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict len);

    使用accept獲得連接請求并建立連接，新的套接字描述符連接到調用connect的客戶端。傳給accept的原始套接字(sockfd)沒有關聯到這個連接，而是接收保持可用狀態并接受其他請求連接，這樣做是為了使新的套接字描述符和原始套接字具有相同的地址族domain和套接字類型type。

    如果服務器調用accept并且當前沒有連接請求，服務器會阻塞直到一個請求到來。如果不關心客戶端標識，可以將參數addr和len設為NULL。

注：

    關鍵字restrict是C99新引入的，所有修改該指針所指向內容的操作全部都是基于(base on)該指針的，即不存在其它進行修改操作的途徑；從而幫助編譯器進行更好的代碼優化，生成更有效率的匯編代碼[4]。

3.5 建立連接connect

1. //成功返回0，出錯返回-1
   

2. int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);

    addr是想與之通信的服務器地址，如果sockfd沒有綁定到一個地址，connect會給調用者綁定一個默認的地址。成功連接需要以下條件：要連接的機器開啟且正在運行，服務器綁定到一個想與之連接的地址，服務器的等待連接隊列有足夠的空間。

3.6 讀取數據

1. ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes); //成功返回讀到的字節數，已到文件末尾返回0，出錯返回-1

2. 
   

3. ssize_t recv(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags); //成功返回字節計數的消息長度，無可用消息或對方已經按序結束返回0，出錯返回-1

4. 
   

5. ssize_t recvfrom(int sockfd,void *restrict buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *restrict addr, socketlen_t *restruct addrlen); //成功返回字節計數的消息長度，無可用消息或對方已經按序結束返回0，出錯返回-1

6. 
   

7. ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);//成功返回字節計數的消息長度，無可用消息或對方已經按序結束返回0，出錯返回-1

    可以使用read通過套接字通信，但read只能交換數據，若想指定選項、從多個客戶端接收數據包，則需選擇套接字函數recv(指定標志控制接收數據的方式)、recvfrom(得到數據發送者的源地址)、resvmsg(將接收到數據送入多個緩沖區或接收輔助數據)。

3.7 寫入數據

1. ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count); //成功返回寫入字節數，出錯返回-1

2. 
   

3. ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags); //成功返回發送的字節數，出錯返回-1

4. 
   

5. ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags, 

6.               const struct sockaddr *destaddr, socklen_t destlen); //成功返回發送的字節數，出錯返回-1

7. 
   

8. ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags); //成功返回發送的字節數，出錯返回-1

注：send與sendto的flags含義相同，sendmsg的flags與前兩者不同

    可以使用write通過套接字通信，但write只能交換數據，若想指定選項、發送帶外數據，則需選擇套接字函數send(指定標志改變處理傳輸數據的方式)、sendto(允許無連接的套接字上指定一個目標地址)、sendmsg(指定多重緩沖傳輸數據)。

3.8 終止連接

1. int close(int fd); //成功返回0，出錯返回-1

2. 
   

3. int shutdown(int sockfd, int how);//成功返回0，出錯返回-1

    關閉套接字close只有在最后一個活動引用被關閉后才釋放網絡端點，而shutdown提供更精細的控制，套接字通信是雙向的，可以用shutdown禁止套接字上的輸入/輸出，即how為SHUT_RD、SHUT_WR、SHUT_RDWR。除此之外，shutdown允許使一個套接字處于不活動狀態(不管引用它的文件描述符數目多少)，便于復制一個套接字(如dup)。

參考資料：

[1] 百度文庫《互聯網絡程序設計第3章》

[2] 《UNIX環境高級編程》[M].

[3] 維基百科詞條：TCP/UDP端口列表

[4] 博文《C99中的restrict關鍵字》

套接字調用標志源文件 套接字調用標志.xls  

from:http://blog.chinaunix.net/uid-9112803-id-3199813.html

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