【TCP/IP网络编程】：01理解网络编程和套接字

1.网络编程和套接字

网络编程与C语言中的printf函数和scanf函数以及文件的输入输出类似，本质上也是一种基于I/O的编程方法。之所以这么说，是因为网络编程大多是基于套接字（socket，网络数据传输的软件设备，操作系统为我们提供的编程接口）来实现数据的输入输出的。

套接字通信过程可以类比打电话的过程。电话机可以用来拔打和接听，但对于套接字而言，拔打和接听是有区别的。

构建接电话套接字

调用socket函数安装电话机

#include 
int socket(int domain, int type, int protocol);
    -> 成功时返回文件描述符，失败时返回-1

调用bind函数分配电话号码

#include 
int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
    -> 成功时返回0，失败时返回-1

调用listen函数连接电话

#include 
int listen(int sockfd, int backlog);
    -> 成功时返回0，失败时返回-1

调用accept函数接听电话

#include 
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
    -> 成功时返回文件描述符，失败时返回-1

网络编程中接受连接请求的套接字创建过程总结如下：

1.调用socket函数创建套接字

2.调用bind函数分配IP地址和端口号

3.调用了listen函数转换为可接收请求状态

4.调用accept函数受理连接请求

 1 #include 
 2 #include 
 3 #include <string.h>
 4 #include 
 5 #include 
 6 #include 
 7 
 8 void error_handling(char *message);
 9 
10 int main(int argc, char *argv[])
11 {
12     int serv_sock;
13     int clnt_sock;
14 
15     struct sockaddr_in serv_addr;
16     struct sockaddr_in clnt_addr;
17     socklen_t clnt_addr_size;
18 
19     char message[]="Hello World!";
20     
21     if(argc!=2){
22         printf("Usage : %s \n", argv[0]);
23         exit(1);
24     }
25     
26     serv_sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
27     if(serv_sock == -1)
28         error_handling("socket() error");
29     
30     memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
31     serv_addr.sin_family=AF_INET;
32     serv_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
33     serv_addr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
34     
35     if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*) &serv_addr, sizeof(serv_addr))==-1 )
36         error_handling("bind() error"); 
37     
38     if(listen(serv_sock, 5)==-1)
39         error_handling("listen() error");
40     
41     clnt_addr_size=sizeof(clnt_addr);  
42     clnt_sock=accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr,&clnt_addr_size);
43     if(clnt_sock==-1)
44         error_handling("accept() error");  
45     
46     write(clnt_sock, message, sizeof(message));
47     close(clnt_sock);    
48     close(serv_sock);
49     return 0;
50 }
51 
52 void error_handling(char *message)
53 {
54     fputs(message, stderr);
55     fputc('\n', stderr);
56     exit(1);
57 }

hello_server 示例

构建打电话套接字

服务器端创建的套接字又称为服务器端套接字或监听（listening）套接字。而客户端套接字则比较简单，除了创建套接字外，只需要连接过程即可。

客户端发起打电话动作

#include 
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
    -> 成功时返回0，失败时返回-1

网络编程中发出连接请求的套接字创建过程总结如下：

1.调用socket函数创建套接字

2.调用connect函数发出连接请求

 1 #include 
 2 #include 
 3 #include <string.h>
 4 #include 
 5 #include 
 6 #include 
 7 
 8 void error_handling(char *message);
 9 
10 int main(int argc, char* argv[])
11 {
12     int sock;
13     struct sockaddr_in serv_addr;
14     char message[30];
15     int str_len;
16     
17     if(argc!=3){
18         printf("Usage : %s  \n", argv[0]);
19         exit(1);
20     }
21     
22     sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
23     if(sock == -1)
24         error_handling("socket() error");
25     
26     memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
27     serv_addr.sin_family=AF_INET;
28     serv_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
29     serv_addr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));
30         
31     if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr))==-1) 
32         error_handling("connect() error!");
33     
34     str_len=read(sock, message, sizeof(message)-1);
35     if(str_len==-1)
36         error_handling("read() error!");
37     
38     printf("Message from server: %s \n", message);  
39     close(sock);
40     return 0;
41 }
42 
43 void error_handling(char *message)
44 {
45     fputs(message, stderr);
46     fputc('\n', stderr);
47     exit(1);
48 }

hello_client 示例

 

2.基于Linux的文件操作

在Linux的世界里，socket也被认为是文件的一种，因此在网络数据传输过程中自然可以使用文件I/O相关函数。操作文件或是套接字，首先需要了解什么是文件描述符？文件描述符是一种系统资源，通常是在文件和套接字创建过程由系统分配的一个整数。三个知名文件描述符（标准输入输出及标准错误文件描述符）如下，它们不经过特殊的创建过程，而是伴随系统运行而自动分配的。

下面介绍四个常用文件操作函数

//打开文件
#include 
#include 
#include 

int open(const char *path, int flag);
    -> 成功时返回文件描述符，失败时返回-1
    path: 文件名的字符串地址
    flag : 文件打开模式信息

其中，文件打开模式常用值如下，可以通过位或运算传递多个值

//关闭文件
#include 

int close(int fd);
    -> 成功时返回0，失败时返回-1
    fd: 需要关闭的文件或套接字的文件描述符

若调用此函数并传入文件描述符，则关闭相应文件，且此函数同时可以关闭套接字。

//写文件
#include 

ssize_t write(int fd, const char *buf, size_t nbytes);
    -> 成功时返回写入的字节数，失败时返回-1

write函数用于向文件输入数据，当然，通过套接字向其他计算机传输数据亦可使用该函数。

//读文件
#include 

ssize_t read(int fd, char *buf, size_t nbytes);
    -> 成功时返回读出的字节数(遇到文件结尾则返回0)，失败时返回-1

read函数用于从文件读出数据，同样，通过套接字从其他计算机接收数据亦可使用该函数。

文件描述符与套接字的关系

通过观察下面程序运行结果可知，描述符从3开始从小到大的顺序编号，再次说明了Linux系统中套接字与文件并无差别。

#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void)
{    
    int fd1, fd2, fd3;
    fd1=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    fd2=open("test.dat", O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC);
    fd3=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    
    printf("file descriptor 1: %d\n", fd1);
    printf("file descriptor 2: %d\n", fd2);
    printf("file descriptor 3: %d\n", fd3);
    
    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    return 0;
}

 

一些思考：

1.INADDR_ANY是什么地址？

2.sockaddr_in与socaddr的关系？

3.为什么客户端不需要bind函数将IP信息绑定到套接字？

4.服务端的阻塞函数是什么？

5.listen函数中，监听套接字参数sockfd的作用？与accept返回的套接字参数sockfd之间的关系？

6.listen函数中，参数backlog怎么理解？

后续系列文章中慢慢给出参考