《Linux C/C++服务器开发实践》之第4章 TCP服务器编程
《Linux C/C++服务器开发实践》之第4章 TCP服务器编程
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- 4.1 套接字的基本概念
- 4.2 网络程序的架构
- 4.3 IP地址的格式转换
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- 4.1.c
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- 4.4 套接字的类型
- 4.5 套接字地址
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- 4.5.1 通用socket地址
- 4.5.2 专用socket地址
- 4.5.3 获取套接字地址
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- 4.2.c
- 4.6 主机字节序和网络字节序
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- 4.3.c
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- 4.7 协议族和地址族
- 4.8 TCP套接字编程的基本步骤
- 4.9 TCP套接字编程的相关函数
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- 4.9.1 BSD socket的头文件
- 4.9.2 socket函数
- 4.9.3 bind函数
- 4.9.4 listen函数
- 4.9.5 accept函数
- 4.9.6 connect函数
- 4.9.7 send函数
- 4.9.8 recv函数
- 4.9.9 close函数
- 4.10 简单的TCP套接字编程
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- 4.4.server.c
- 4.4.client.c
- 4.5.c
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- 4.11 深入理解TCP编程
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- 4.11.1 数据发送和接收涉及的缓冲区
- 4.11.2 TCP数据传输的特点
- 4.11.3 数据发送的六种情形
- 4.11.4 数据接收时的情形
- 4.11.5 一次请求响应的数据接收
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- 4.6.server.c
- 4.6.client.c
- 4.11.6 多次请求响应的数据接收
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- 4.7.server.c
- 4.7.client.c
- 4.8.c
- 4.9.server.c
- 4.9.client.c
- 4.12 I/O控制命令
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- 4.10.c
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- 4.13 套接字选项
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- 4.13.1 基本概念
- 4.13.2 选项的级别
- 4.13.3 获取套接字选项
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- 4.11.c
- 4.12.c
- 4.13.c
- 4.13.4 设置套接字选项
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- 4.14.c
4.1 套接字的基本概念
套接字是TCP/IP网络编程中的基本操作单元，不同主机的进程之间的相互通信的端点。
socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IC层复杂的操作抽象为几个简单的接口，供应用层调用已实现进程在网络中通信。
4.2 网络程序的架构
B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）架构，用户只需要浏览器就行，主要逻辑在服务器完成，减轻了客户端的升级和维护的工作量。
C/S（Client/Server，客户机/服务器）架构，客户端和服务端安装不同应用软件，客户端软件安装或升级比较复杂，维护成本大，可以充分利用两端的硬件能力，较为合理的分配任务。
客户机和服务器间的通信过程：
（1）客户机向服务器提出一个请求。
（2）服务器收到客户机的请求，进行分析处理。
（3）服务器将处理的结果返回给客户机。
4.3 IP地址的格式转换
#include #include 4.1.c
#include 4.4 套接字的类型
（1）流套接字（SOCK_STREAM）
用于提供面向连接的、可靠的数据传输服务，无数据边界（收发次数不一致），可保证数据能够无差别、无重复发送，并按顺序接收（因为使用了传输控制协议即TCP）。
（2）数据报套接字（SOCK_DGRAM）
提供无连接的服务，不保证数据传输的可靠性，有数据边界（数据报收发次数一致），数据传输过程中可能丢失或重复，且无法保证接收数据有序。（使用UDP传输）
（3）原始套接字（SOCK_RAW）
允许对较低层次的协议（IP、ICMP等）直接访问，常用于检验新的协议实现，或者访问现有服务中配置的新设备。
能够控制网络底层传输机制，所以可以应用原始套接字操纵网络层和传输层应用。接收ICMP、IGMP协议包，接收TCP/IP栈不能处理的IP包，发送自定义报头或自定义协议的IP包。
能够读写内核没有处理的IP数据报。
4.5 套接字地址
包含IP地址和端口信息，识别主机及进程。
4.5.1 通用socket地址
表示大多数网络地址，用于socket API函数中。
struct sockaddr{
sa_family_t sa_family;
char sa_data[14];
};
sa_family_t：地址族或协议族类型
- PF_UNIX: UNIX本地域协议族
- PF_INET: IPv4协议族
- PF_INET6: IPv6协议族
- AF_UNIX: UNIX本地域地址族
- AF_INET: IPv4地址族
- AF_INET: IPv6地址族
sa_data：存放具体的地址数据（IP和端口）
| 协议族 | 地址的含义和长度 |
|---|---|
| PF_INET | 32位IPV4地址和16位端口号，共6字节 |
| PF_INET6 | 128位IPv6地址、16位端口号、32位流标识和32位范围ID，共26字节 |
| PF_UNIX | 文件全路劲名，最大长度可达108字节 |
4.5.2 专用socket地址
不同协议族定义的不同socket地址结构体，各个信息用不同字段表示。
一般强制转换为通用地址结构使用。
/* Structure describing an Internet socket address. */
struct sockaddr_in
{
__SOCKADDR_COMMON (sin_);
in_port_t sin_port; /* Port number. */
struct in_addr sin_addr; /* Internet address. */
/* Pad to size of `struct sockaddr'. */
unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr)
- __SOCKADDR_COMMON_SIZE
- sizeof (in_port_t)
- sizeof (struct in_addr)];
};
/* Internet address. */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
{
in_addr_t s_addr;
};
#if !__USE_KERNEL_IPV6_DEFS
/* Ditto, for IPv6. */
struct sockaddr_in6
{
__SOCKADDR_COMMON (sin6_);
in_port_t sin6_port; /* Transport layer port # */
uint32_t sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */
struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 address */
uint32_t sin6_scope_id; /* IPv6 scope-id */
};
#endif /* !__USE_KERNEL_IPV6_DEFS */
#if !__USE_KERNEL_IPV6_DEFS
/* IPv6 address */
struct in6_addr
{
union
{
uint8_t __u6_addr8[16];
uint16_t __u6_addr16[8];
uint32_t __u6_addr32[4];
} __in6_u;
#define s6_addr __in6_u.__u6_addr8
#ifdef __USE_MISC
# define s6_addr16 __in6_u.__u6_addr16
# define s6_addr32 __in6_u.__u6_addr32
#endif
};
#endif /* !__USE_KERNEL_IPV6_DEFS */
4.5.3 获取套接字地址
#include getsockname获取本地套接字地址的情况：
- 本地套接字已bind地址
- 本地套接字已connet到远程，内核会分配地址
#include 4.2.c
#include 4.6 主机字节序和网络字节序
- 小端字节序Little Endian
底地址存放低字节
大端字节序Big Endian（网络字节序）
底地址存放高字节
uint32_t主机字节序转网络字节序
htonl
uint16_t主机字节序转网络字节序
htons
uint32_t网络字节序转主机字节序
ntohl
uint16_t网络字节序转主机字节序
ntohs
4.3.c
#include 4.7 协议族和地址族
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协议族
不同协议的集合，宏以PF_开头，PROTOCOL FAMILY -
地址族
协议族所使用的地址集合（不同网络协议使用不同网络地址），宏以AF_开头，Address Family
地址族和协议族的值一样，都用来标识不同的一套协议。
4.8 TCP套接字编程的基本步骤
- 服务器编程步骤：
一、创建套接字，socket函数
二、绑定套接字到IP地址和端口，bind函数
三、套接字设置为监听模式并等待连接请求，listen函数
四、请求到来时，接受连接请求，返回对应连接的套接字，accept函数
五、用该连接套接字同客户端通信，send或recv函数，通信结束关闭，closesocket函数
六、监听套接字等待其他客户端的连接
七、推出服务器程序，关闭监听套接字，closesocket函数
客户端编程步骤：
一、创建套接字，socket函数
二、向服务器发出请求连接，connect函数
三、同服务器端通信，send或recv函数，
四、通信结束关闭，closesocket函数
4.9 TCP套接字编程的相关函数
4.9.1 BSD socket的头文件
：核心函数和数据结构的声明 ：地址族和协议族，IP地址和端口号等 ：地址族和协议族的宏定义 ：IP地址相关函数 ：协议名和主机名转化为数字的函数
#include 4.9.2 socket函数
创建套接字，并分配系统资源
int socket(int domain, int type, int protocol);
//AF_INET
//SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM, SOCK_RAW
//IPPROTO_TCP, IPPROTO_UDP, 0
//默认都是阻塞
4.9.3 bind函数
本地地址信息关联到套接字上。
int bind(int sockfd, const struct* addr, socklen_t addrlen);
//成功0，失败-1，errno获取错误码
sockaddr_in in;
in_addr_t ip = inet_addr("192.168.13.25");
if(ip != -1)
in.sin_addr.s_addr = ip;
//#define INADDR_ANY ((in_addr_t) 0x00000000)
in.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
//errno，98，端口占用、未释放或程序未正常结束
4.9.4 listen函数
套接字处于监听状态。
int listen(int sockfd, int backlog);
//成功0，失败-1
4.9.5 accept函数
从监听套接字的客户连接请求队列获取客户端请求，并创建新的套接字来和客户端通信。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t * addrlen);
//失败-1
4.9.6 connect函数
请求与监听套接字建立连接。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
//成功0，失败-1
非阻塞时，可设置连接超时时间，通过error中EINRPOCESS（Operation now in progress）判断。
4.9.7 send函数
发送数据，复制到套接字的发送缓冲区。
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
//成功返回发送拷贝字节数，对方关闭返回0，错误-1
TCP有发送缓冲区，UDP无发送缓冲区。
非阻塞，可利用error变量EAGAIN
send用于有连接的套接字。
sendto和sendmsg用于有或无连接的套接字。
4.9.8 recv函数
接收数据.
ssize_t recv(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
//成功返回接收字节数，对方关闭返回0，错误-1，errno是EINTR、EWOULDBLOCK或EAGAIN时连接正常
recvfrom也能接收数据。
4.9.9 close函数
关闭套接字
#include 4.10 简单的TCP套接字编程
4.4.server.c
#include 4.4.client.c
#include 4.5.c
#include 4.11 深入理解TCP编程
4.11.1 数据发送和接收涉及的缓冲区
应用缓冲区和TCP套接字缓冲区（内核缓冲区）。
4.11.2 TCP数据传输的特点
一、字节流，无消息边界。
二、send后并不立即发送数据，内核控制。
三、数据发送速度，网络状态决定。
四、控制数据真实发送，网络状态决定。
五、recv时并不知道真实已接收多少数据。
4.11.3 数据发送的六种情形
假设调用两次send，发送数据A和数据B。（send(A)，send(B)），真实发送情况：
一、网络情况良好，未受发送窗口、拥塞窗口和TCP最大传输单元影响，A、B变成两个数据段发送。
二、网络不好，发送A被延迟，A、B数据合并，且长度未超过窗口大小和最大传输单元。AB合并发送一次。
三、网络不好，发送A被延迟，A、B数据合并，且长度超过窗口大小或最大传输单元。AB合并发送（AB1、B2）。
四、网络不好，发送A被延迟，A、B数据合并，且长度超过窗口大小或最大传输单元。AB合并发送（A1、A2B）。
五、接收窗口小，AB分成多份发送。
六、发送错误，失败。
4.11.4 数据接收时的情形
- 接收到本次达到接收端的全部数据
- 接收到达到接收端的部分数据
- 没有收到数据
send与实际发送次数无关，send与recv次数无关。
4.11.5 一次请求响应的数据接收
接收到全部数据后断开连接，通过recv返回0判断发送方数据发送完毕。
4.6.server.c
#include 4.6.client.c
#include 4.11.6 多次请求响应的数据接收
- 定长数据的接收
4.7.server.c
#include 4.7.client.c
#include - 变长数据的接收
数据报末尾加结束标识符
变长消息体前加固定长度的报头，报头内加入消息体长度字段
struct MyData
{
int nLen;
char data[0];
};
struct MyData* p = (struct MyData*)malloc(sizeof(struct MyData)+strlen(str));
4.8.c
#include 4.9.server.c
#include 4.9.client.c
#include 4.12 I/O控制命令
设置套接字的工作模式（阻塞或非阻塞），获取套接字I/O操作的参数信息。
#include I/O控制命令request：
- FIONBIO
阻塞 - FIONREAD
流套接字，recv一次可读入数据量；数据报套接字，第一个数据报大小；缓冲区大小。 - FIOASYNC
异步
int iMode = 0;
ioctl(m_socket, FIONBIO, &iMode); //阻塞模式
int num = 0;
ioctl(0, FIONREAD, &iMode); //标准输入缓冲区字节数
4.10.c
#include 4.13 套接字选项
4.13.1 基本概念
设置或获取套接字属性
4.13.2 选项的级别
适用范围或适用对象，有些选项针对特定协议，有些选项适用所有类型套接字。
SO_TYPE
SO_SNDBUF
SO_REUSEADDR
SO_RCVBUF
SO_ERROR
…
4.13.3 获取套接字选项
#include 4.11.c
#include 4.12.c
#include 4.13.c
#include 4.13.4 设置套接字选项
#include 4.14.c
#include