LinuxSocket编程简介和实现-创新互联

在 TCP/IP 协议中,"IP地址 + TCP或UDP端口号" 可以唯一标识网络通讯中的一个进程,"IP地址+端口号" 就称为 socket。本文以一个简单的 TCP 协议为例,介绍如何创建基于 TCP 协议的网络程序。

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TCP 协议通讯流程

下图描述了 TCP 协议的通讯流程(此图来自互联网):

下图则描述 TCP 建立连接的过程(此图来自互联网):

服务器调用 socket()、bind()、listen() 函数完成初始化后,调用 accept() 阻塞等待,处于监听端口的状态,客户端调用 socket() 初始化后,调用 connect() 发出 SYN 段并阻塞等待服务器应答,服务器应答一个SYN-ACK 段,客户端收到后从 connect() 返回,同时应答一个 ACK 段,服务器收到后从 accept() 返回。

TCP 连接建立后数据传输的过程:

建立连接后,TCP 协议提供全双工的通信服务,但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主动发起请求,服务器被动处理请求,一问一答的方式。因此,服务器从 accept() 返回后立刻调用 read(),读 socket 就像读管道一样,如果没有数据到达就阻塞等待,这时客户端调用 write() 发送请求给服务器,服务器收到后从 read() 返回,对客户端的请求进行处理,在此期间客户端调用 read() 阻塞等待服务器的应答,服务器调用 write() 将处理结果发回给客户端,再次调用 read() 阻塞等待下一条请求,客户端收到后从 read() 返回,发送下一条请求,如此循环下去。

下图描述了关闭 TCP 连接的过程:

如果客户端没有更多的请求了,就调用 close() 关闭连接,就像写端关闭的管道一样,服务器的 read() 返回 0,这样服务器就知道客户端关闭了连接,也调用 close() 关闭连接。注意,任何一方调用 close() 后,连接的两个传输方向都关闭,不能再发送数据了。如果一方调用 shutdown() 则连接处于半关闭状态,仍可接收对方发来的数据。

在学习 socket 编程时要注意应用程序和 TCP 协议层是如何交互的:

  1. 应用程序调用某个 socket 函数时 TCP 协议层完成什么动作,比如调用 connect() 会发出 SYN 段
  2. 应用程序如何知道 TCP 协议层的状态变化,比如从某个阻塞的 socket 函数返回就表明 TCP 协议收到了某些段,再比如 read() 返回 0 就表明收到了 FIN 段

下面通过一个简单的 TCP 网络程序来理解相关概念。程序分为服务器端和客户端两部分,它们之间通过 socket 进行通信。

服务器端程序

下面是一个非常简单的服务器端程序,它从客户端读字符,然后将每个字符转换为大写并回送给客户端:

#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() 打开一个网络通讯端口,如果成功的话,
  // 就像 open() 一样返回一个文件描述符,
  // 应用程序可以像读写文件一样用 read/write 在网络上收发数据。
  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() 的作用是将参数 listenfd 和 servaddr 绑定在一起,
  // 使 listenfd 这个用于网络通讯的文件描述符监听 servaddr 所描述的地址和端口号。
  bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

  // listen() 声明 listenfd 处于监听状态,
  // 并且最多允许有 20 个客户端处于连接待状态,如果接收到更多的连接请求就忽略。
  listen(listenfd, 20);

  printf("Accepting connections ...\n");
  while (1)
  {
    cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
    // 典型的服务器程序可以同时服务于多个客户端,
    // 当有客户端发起连接时,服务器调用的 accept() 返回并接受这个连接,
    // 如果有大量的客户端发起连接而服务器来不及处理,尚未 accept 的客户端就处于连接等待状态。
    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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