Linux网络编程：socket、客户端服务器端使用socket通信（TCP）_linux下的socket编程实验报告

1. socket概念

socket（套接字），用于网络中不同主机间进程的通信。

socket是一个伪文件，包含读缓冲区、写缓冲区。

socket必须成对出现。

socket可以建立主机进程间的通信，但需要协议（IPV4、IPV6等）、port端口、IP地址。

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2. 客户端服务端socket网络通信步骤（TCP）

2.1 服务器端步骤：

        （1）创建流式socket套接字。

                a）此socket套接字一直用于后续的监听连接。

                b）socket函数。

        （2）绑定本机IP地址和port。

                b）bind函数。

        （3）监听。

                a）将socket套接字由主动变为被动。

                b）创建未完成连接队列、已完成连接队列；未完成连接接经历3次握手才变成已完成连接。

                c）listen函数。

        （4）提取。

                a）从已完成连接队列提取连接，创建一个新的已连接socket套接字用于和客户端通信。

                b）accept函数。

        （5）读写数据。

        （6）关闭socket。

2.2 客户端步骤：

        （1）创建流式socket套接字。

                a）socket函数。

        （2）连接服务器。

                a）指定服务器的IP协议（IPV4或IPV6）、port、IP地址。

                b）connect函数（该函数包含TCP的三次握手）。

        （3）读写数据。

        （4）关闭socket。

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3. socket相关结构体和函数

3.1 socket相关结构体

（1）IPV4套接字结构体

#include<netinet/in.h>
 
struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* 协议：AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* 端口 */
    struct in_addr sin_addr;   /* IP地址 */
};
 
/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* IP地址的网络字节序 */
};

（2）IPV6套接字结构体

#include<netinet/in6.h>
 
struct sockaddr_in6 {
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */
};
 
struct in6_addr {
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */
};

（3）通用套接字结构体

为了接口通用，出现通用套接字结构体。

#include<sys/socket.h>
 
struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family; /* AF_INET 或 AF_INET6 */
    char sa_data[14]; /* address data */
};

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3.2 socket相关函数

（1） socke函数：创建套接字

#include<sys/socket.h>
 
int socket(int domain, int type, int protocol);
/*
功能：
    创建套接字
参数：
    domain：
        AF_INET
        AF_INET6
        等等
    type：
        SOCK_STREAM：TCP流式套接字
        SOCK_DGRAM：UDP报式套接字
        SOCK_RAW：组包更多
        等等
    protocol：0，自动填充
返回值：
    成功：文件描述符
    失败：-1
*/

（2）connect函数：客户端连接服务器

#include<sys/socket.h>
 
int connect(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
/*
功能：
    连接服务器
参数：
    sockfd：套接字文件描述符
    addr：IPV4套接字结构体地址 强转为通用套接字结构体
              包含目的主机的IP和port
    addrlen：IPV4套接字结构体大小
返回值：
    成功：0
    失败：-1，并设置errno
        EACCES：权限不足或被防火墙拒绝
        EADDRINUSE：本地地址已被其他套接字使用
        ECONNREFUSED：远程主机拒绝连接
        ETIMEDOUT：连接超时
*/

（3）bind函数：服务器端绑定自己固定的IP和port

#include<sys/socket.h>
 
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
/*
功能：
    给套接字sockfd绑定固定的的IP地址和port
参数：
    sockfd：套接字文件描述符
    addr：IPV4套接字结构体地址
    addrlen：IPV4套接字结构体大小
返回值：
    成功：0
    失败：-1
*/

（4）listen函数：服务器端监听是否有连接请求

#include<sys/socket.h>
 
int listen(int sockfd, int backlog);
/*
功能：
    监听是否有客户端请求连接
参数：
    sockfd：套接字文件描述符
    backlog：已完成连接数量与未完成连接数量之和的最大值，一般写128
返回值：
    成功：0
    失败：-1
*/

（5）accept函数： 从已完成连接队列提取连接

#include<sys/socket.h>
 
int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);
/*
功能：
    从已完成连接队列提取连接
参数：
    sockfd：套接字文件描述符
    addr：IPV4套接字结构体地址，以获取的客户端IP和port信息
    addrlen：存储IPV4套接字结构体大小的变量的地址。
返回值：
    成功：新连接socket的文件描述符
    失败：-1
*/

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3.3 socket通信示例

（1）TCP客户端连接服务器示例：

#include<arpa/inet.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
 
int main() {
 
    /* 1.创建socket */
    int sock_fd;
    sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 
    /* 2.连接服务器 */
    // IPV4套接字结构体
    struct sockaddr_in addr;
    // IPV4
    addr.sin_family = AF_INET;
    // 服务器的port，转为网络字节序
    addr.sin_port = htons(8888);
    // 服务器IP地址，转为网络字节序存入addr.sin_addr.s_addr
    inet_pton(AF_INET, "192.168.0.11", &addr.sin_addr.s_addr);
    // 连接
    connect(sock_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
 
    /* 3.读写数据 */
    char buf[1024] = "";
    while (1) {
        int n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));  // 从终端读入buf
        write(sock_fd, buf, n);
        n = read(sock_fd, buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    }
 
    /* 4.关闭 */
    close(sock_fd);
 
    return 0;
}

运行结果：

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（2）TCP服务器端示例：

#include<stdio.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
 
int main(int argc, const char* argv[]) {
 
    /* 1.创建socket */
    int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 
    /* 2.绑定本机IP地址和port */
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(8000);
    // INADDR_ANY为0，表示绑定通配地址，即本地所有IP地址
    // addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; 
    inet_pton(AF_INET, "192.168.124.128", &addr.sin_addr.s_addr);
    int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    if(ret < 0) {
        perror("bind");
        exit(0);
    }
 
    /* 3.监听 */
    listen(lfd, 128);
 
    /* 4.提取 */
    struct sockaddr_in cliaddr;
    socklen_t len = sizeof(cliaddr);
    int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &len);
    char ip[16] = "";
    printf("新连接到来！IP：%s, port：%d\n", 
                inet_ntop(AF_INET, &(cliaddr.sin_addr.s_addr), ip, 16), 
                ntohs(cliaddr.sin_port));
 
    /* 5.读写 */
    char buf[1024] = "";
    while (1) {
        bzero(buf, sizeof(buf));
        int n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));  // 从终端读入buf
        write(cfd, buf, n);
        n = read(cfd, buf, sizeof(buf));
        printf("%s", buf);
    }
 
    /* 6.关闭 */
    close(lfd);
    close(cfd);
 
    return 0;
}

运行结果：

注意：服务器进程被杀死，其占用的端口不会立即释放，再次连接会出现如下错误：

因为系统防止短时间内频繁开关相同的端口而将端口设置为TIME_WAIT状态（一般为2MSL，MSL一般为30s），因此TIME_WAIT大概持续60s；过了TIME_WAIT状态才可使用该端口。

若要立即使用该端口，可使用端口复用机制。

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4. 补充：

4.1 recv和send

读写时，除了使用read、write函数，还可使用recv和send函数，用法类似于read和write，flags默认写0即可：

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
 
ssize_t recv(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
 
ssize_t send(int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags);

4.2 socket包裹函数

将socket编程常用函数中的错误判断等封装为函数，使用更方便： mayueming1/socket-wrap-func: socket常用的包裹函数 (github.com)