LinuxSocket編程簡介和實現(xiàn)-創(chuàng)新互聯(lián)

在 TCP/IP 協(xié)議中，"IP地址 + TCP或UDP端口號" 可以唯一標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)通訊中的一個進(jìn)程，"IP地址+端口號" 就稱為 socket。本文以一個簡單的 TCP 協(xié)議為例，介紹如何創(chuàng)建基于 TCP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)程序。

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TCP 協(xié)議通訊流程

下圖描述了 TCP 協(xié)議的通訊流程(此圖來自互聯(lián)網(wǎng))：

下圖則描述 TCP 建立連接的過程(此圖來自互聯(lián)網(wǎng))：

服務(wù)器調(diào)用 socket()、bind()、listen() 函數(shù)完成初始化后，調(diào)用 accept() 阻塞等待，處于監(jiān)聽端口的狀態(tài)，客戶端調(diào)用 socket() 初始化后，調(diào)用 connect() 發(fā)出 SYN 段并阻塞等待服務(wù)器應(yīng)答，服務(wù)器應(yīng)答一個SYN-ACK 段，客戶端收到后從 connect() 返回，同時應(yīng)答一個 ACK 段，服務(wù)器收到后從 accept() 返回。

TCP 連接建立后數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程：

建立連接后，TCP 協(xié)議提供全雙工的通信服務(wù)，但是一般的客戶端/服務(wù)器程序的流程是由客戶端主動發(fā)起請求，服務(wù)器被動處理請求，一問一答的方式。因此，服務(wù)器從 accept() 返回后立刻調(diào)用 read()，讀 socket 就像讀管道一樣，如果沒有數(shù)據(jù)到達(dá)就阻塞等待，這時客戶端調(diào)用 write() 發(fā)送請求給服務(wù)器，服務(wù)器收到后從 read() 返回，對客戶端的請求進(jìn)行處理，在此期間客戶端調(diào)用 read() 阻塞等待服務(wù)器的應(yīng)答，服務(wù)器調(diào)用 write() 將處理結(jié)果發(fā)回給客戶端，再次調(diào)用 read() 阻塞等待下一條請求，客戶端收到后從 read() 返回，發(fā)送下一條請求，如此循環(huán)下去。

下圖描述了關(guān)閉 TCP 連接的過程：

如果客戶端沒有更多的請求了，就調(diào)用 close() 關(guān)閉連接，就像寫端關(guān)閉的管道一樣，服務(wù)器的 read() 返回 0，這樣服務(wù)器就知道客戶端關(guān)閉了連接，也調(diào)用 close() 關(guān)閉連接。注意，任何一方調(diào)用 close() 后，連接的兩個傳輸方向都關(guān)閉，不能再發(fā)送數(shù)據(jù)了。如果一方調(diào)用 shutdown() 則連接處于半關(guān)閉狀態(tài)，仍可接收對方發(fā)來的數(shù)據(jù)。

在學(xué)習(xí) socket 編程時要注意應(yīng)用程序和 TCP 協(xié)議層是如何交互的：

應(yīng)用程序調(diào)用某個 socket 函數(shù)時 TCP 協(xié)議層完成什么動作，比如調(diào)用 connect() 會發(fā)出 SYN 段
應(yīng)用程序如何知道 TCP 協(xié)議層的狀態(tài)變化，比如從某個阻塞的 socket 函數(shù)返回就表明 TCP 協(xié)議收到了某些段，再比如 read() 返回 0 就表明收到了 FIN 段

下面通過一個簡單的 TCP 網(wǎng)絡(luò)程序來理解相關(guān)概念。程序分為服務(wù)器端和客戶端兩部分，它們之間通過 socket 進(jìn)行通信。

服務(wù)器端程序

下面是一個非常簡單的服務(wù)器端程序，它從客戶端讀字符，然后將每個字符轉(zhuǎn)換為大寫并回送給客戶端：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#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;

  // socket() 打開一個網(wǎng)絡(luò)通訊端口，如果成功的話，
  // 就像 open() 一樣返回一個文件描述符，
  // 應(yīng)用程序可以像讀寫文件一樣用 read/write 在網(wǎng)絡(luò)上收發(fā)數(shù)據(jù)。
  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() 的作用是將參數(shù) listenfd 和 servaddr 綁定在一起，
  // 使 listenfd 這個用于網(wǎng)絡(luò)通訊的文件描述符監(jiān)聽 servaddr 所描述的地址和端口號。
  bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

  // listen() 聲明 listenfd 處于監(jiān)聽狀態(tài)，
  // 并且最多允許有 20 個客戶端處于連接待狀態(tài)，如果接收到更多的連接請求就忽略。
  listen(listenfd, 20);

  printf("Accepting connections ...\n");
  while (1)
  {
    cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
    // 典型的服務(wù)器程序可以同時服務(wù)于多個客戶端，
    // 當(dāng)有客戶端發(fā)起連接時，服務(wù)器調(diào)用的 accept() 返回并接受這個連接，
    // 如果有大量的客戶端發(fā)起連接而服務(wù)器來不及處理，尚未 accept 的客戶端就處于連接等待狀態(tài)。
    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);
  }
}

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