Linux下的TCP通信

Linux下的TCP通信

今天我们介绍如何编写Linux下的TCP程序，关于UDP程序可以参考这里：

http://blog.csdn.net/htttw/article/details/7519971

本文绝大部分是参考《Linux程序设计(第4版)》的第15章套接字

服务器端的步骤如下：

1. socket：      建立一个socket

2. bind：          将这个socket绑定在某个文件上（AF_UNIX）或某个端口上（AF_INET），我们会分别介绍这两种。

3. listen：        开始监听

4. accept：      如果监听到客户端连接，则调用accept接收这个连接并同时新建一个socket来和客户进行通信

5. read/write：读取或发送数据到客户端

6. close：        通信完成后关闭socket

客户端的步骤如下：

1. socket：      建立一个socket

2. connect：   主动连接服务器端的某个文件（AF_UNIX）或某个端口（AF_INET）

3. read/write：如果服务器同意连接（accept），则读取或发送数据到服务器端

4. close：        通信完成后关闭socket

上面是整个流程，我们先给出一个例子，具体分析会在之后给出。例子实现的功能是客户端发送一个字符到服务器，服务器将这个字符+1后送回客户端，客户端再把它打印出来：

Makefile：

 all: tcp_client.c tcp_server.c
     gcc -g -Wall -o tcp_client tcp_client.c
     gcc -g -Wall -o tcp_server tcp_server.c

 clean:
     rm -rf *.o tcp_client tcp_server

tcp_server.c：

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <sys/un.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>

 int main()
 {
   /* delete the socket file */
   unlink("server_socket");

   /* create a socket */
   int server_sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);

   struct sockaddr_un server_addr;
   server_addr.sun_family = AF_UNIX;
   strcpy(server_addr.sun_path, "server_socket");

   /* bind with the local file */
   bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

   /* listen */
   listen(server_sockfd, 5);

   char ch;
   int client_sockfd;
   struct sockaddr_un client_addr;
   socklen_t len = sizeof(client_addr);
   while(1)
   {
     printf("server waiting:\n");

     /* accept a connection */
     client_sockfd = accept(server_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);

     /* exchange data */
     read(client_sockfd, &ch, 1);
     printf("get char from client: %c\n", ch);
     ++ch;
     write(client_sockfd, &ch, 1);

     /* close the socket */
     close(client_sockfd);
   }

   return 0;
 }

tcp_client.c：

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <sys/un.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>

 int main()
 {
   /* create a socket */
   int sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);

   struct sockaddr_un address;
   address.sun_family = AF_UNIX;
   strcpy(address.sun_path, "server_socket");

   /* connect to the server */
   int result = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
   if(result == -1)
   {
     perror("connect failed: ");
     exit(1);
   }

   /* exchange data */
   char ch = 'A';
   write(sockfd, &ch, 1);
   read(sockfd, &ch, 1);
   printf("get char from server: %c\n", ch);

   /* close the socket */
   close(sockfd);

   return 0;
 }

如果我们首先运行tcp_client，会提示没有这个文件：

因为我们是以AF_UNIX方式进行通信的，这种方式是通过文件来将服务器和客户端连接起来的，因此我们应该先运行tcp_server，创建这个文件，默认情况下，这个文件会创建在当前目录下，并且第一个s表示它是一个socket文件：

程序运行的结果如下图：

下面我们详细讲解：

1.

我们调用socket函数创建一个socket：

int socket(int domain, int type, int protocol)

domain：指定socket所属的域，常用的是AF_UNIX或AF_INET

AF_UNIX表示以文件方式创建socket，AF_INET表示以端口方式创建socket（我们会在后面详细讲解AF_INET）

type：指定socket的类型，可以是SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM

SOCK_STREAM表示创建一个有序的，可靠的，面向连接的socket，因此如果我们要使用TCP，就应该指定为SOCK_STREAM

SOCK_DGRAM表示创建一个不可靠的，无连接的socket，因此如果我们要使用UDP，就应该指定为SOCK_DGRAM

protocol：指定socket的协议类型，我们一般指定为0表示由第一第二两个参数自动选择。

socket()函数返回新创建的socket，出错则返回-1

2.

地址格式：

常用的有两种socket域：AF_UNIX或AF_INET，因此就有两种地址格式：sockaddr_un和sockaddr_in，分别定义如下：

 struct sockaddr_un
 {
   sa_family_t sun_family;  /* AF_UNIX */
   char sun_path[];         /* pathname */
 }


 struct sockaddr_in
 {
   short int sin_family;          /* AF_INET */
   unsigned short int sin_port;   /* port number */
   struct in_addr sin_addr;       /* internet address */
 }

其中in_addr正是用来描述一个ip地址的：

 struct in_addr
 {
   unsigned long int s_addr;
 }

从上面的定义我们可以看出，sun_path存放socket的本地文件名，sin_addr存放socket的ip地址，sin_port存放socket的端口号。

3.

创建完一个socket后，我们需要使用bind将其绑定：

int bind(int socket, const struct sockaddr * address, size_t address_len)

如果我们使用AF_UNIX来创建socket，相应的地址格式是sockaddr_un，而如果我们使用AF_INET来创建socket，相应的地址格式是sockaddr_in，因此我们需要将其强制转换为sockaddr这一通用的地址格式类型，而sockaddr_un中的sun_family和sockaddr_in中的sin_family分别说明了它的地址格式类型，因此bind()函数就知道它的真实的地址格式。第三个参数address_len则指明了真实的地址格式的长度。

bind()函数正确返回0，出错返回-1

4.

接下来我们需要开始监听了：

int listen(int socket, int backlog)

backlog：等待连接的最大个数，如果超过了这个数值，则后续的请求连接将被拒绝

listen()函数正确返回0，出错返回-1

5.

接受连接：

int accept(int socket, struct sockaddr * address, size_t * address_len)

同样，第二个参数也是一个通用地址格式类型，这意味着我们需要进行强制类型转化

这里需要注意的是，address是一个传出参数，它保存着接受连接的客户端的地址，如果我们不需要，将address置为NULL即可。

address_len：我们期望的地址结构的长度，注意，这是一个传入和传出参数，传入时指定我们期望的地址结构的长度，如果多于这个值，则会被截断，而当accept()函数返回时，address_len会被设置为客户端连接的地址结构的实际长度。

另外如果没有客户端连接时，accept()函数会阻塞

accept()函数成功时返回新创建的socket描述符，出错时返回-1

6.

客户端通过connect()函数与服务器连接：

int connect(int socket, const struct sockaddr * address, size_t address_len)

对于第二个参数，我们同样需要强制类型转换

address_len指明了地址结构的长度

connect()函数成功时返回0，出错时返回-1

7.

双方都建立连接后，就可以使用常规的read/write函数来传递数据了

8.

通信完成后，我们需要关闭socket：

int close(int fd)

close是一个通用函数（和read，write一样），不仅可以关闭文件描述符，还可以关闭socket描述符

下面我们要介绍如何使用AF_INET了（这是更广泛使用的一种创建socket的方式）：

同样还是先贴代码：

Makefile：

 all: tcp_client.c tcp_server.c
     gcc -g -Wall -o tcp_client tcp_client.c
     gcc -g -Wall -o tcp_server tcp_server.c

 clean:
     rm -rf *.o tcp_client tcp_server

tcp_server.c：

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>

 #define PORT 9734

 int main()
 {
   /* create a socket */
   int server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

   struct sockaddr_in server_addr;
   server_addr.sin_family = AF_INET;
   server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
   server_addr.sin_port = htons(PORT);

   /* bind with the local file */
   bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

   /* listen */
   listen(server_sockfd, 5);

   char ch;
   int client_sockfd;
   struct sockaddr_in client_addr;
   socklen_t len = sizeof(client_addr);
   while(1)
   {
     printf("server waiting:\n");

     /* accept a connection */
     client_sockfd = accept(server_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);

     /* exchange data */
     read(client_sockfd, &ch, 1);
     printf("get char from client: %c\n", ch);
     ++ch;
     write(client_sockfd, &ch, 1);

     /* close the socket */
     close(client_sockfd);
   }

   return 0;
 }

tcp_client.c：

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>

 #define PORT 9734

 int main()
 {
   /* create a socket */
   int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

   struct sockaddr_in address;
   address.sin_family = AF_INET;
   address.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
   address.sin_port = htons(PORT);

   /* connect to the server */
   int result = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
   if(result == -1)
   {
     perror("connect failed: ");
     exit(1);
   }

   /* exchange data */
   char ch = 'A';
   write(sockfd, &ch, 1);
   read(sockfd, &ch, 1);
   printf("get char from server: %c\n", ch);

   /* close the socket */
   close(sockfd);

   return 0;
 }

上面的程序我们使用了9734这一个任意选择的端口号进行通信，而ip地址则是本地的环回地址127.0.0.1

运行方法和前面一个例子完全一样，而程序的运行结果也和前面一个例子完全一样

虽然这样，我还是截张图好了：

主要的不同就是头文件去掉了<sys/un.h>，加入了<netinet/in.h>和<arpa/inet.h>

由于我们选择了AF_INET，因此需要使用sockaddr_in地址结构体，其中的sin_addr存放ip地址，sin_port存放端口号。

我们需要通过inet_addr()函数将ip地址字符串转换成内部的表示形式。另外由于intel机器使用little-endian顺序，和网络数据的big-endian顺序不一致，因此我们需要使用htons()函数进行转换（因为端口是16位，因此使用short）

unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong)

unsigned short int htons(unsigned short int hostshort)

unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong)

unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort)

很好记，host to net, short就是htons，net to host, long就是ntohl

首先运行一下这个程序，然后输入netstat命令，就可以看到我们的程序啦（端口号9734）～～