從零開始構建一個服務器【1】

風起於青萍之末，浪成於微瀾之間，每個龐大複雜的系統，皆起始於一個最簡單的，最細微的地方。

從這裏開始，我將會從一個最基本的服務器開始梳理，用於夯實自己的基礎。

這裏所講述的一切服務器內容，皆始於Linux操作系統之上，因爲現在的主流服務器，很少搭建於其他的環境之上。

大多服務器，都會都會遵循如下的一些基本特點，首先，用一個socket接口來創建一個文件描述符file descriptor，畢竟Linux之下，萬物皆文件。用這個套接字來告訴操作系統，你用的是什麼網絡協議，如UDP，或TCP，協議家族屬於誰。一個進程可以創建的的fd可以不止一個。

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

然後將這個socket的返回值，也就是一個文件描述符，綁定在一個二元組上，這個二元組就是一個ip地址和port（端口號）。根據這個IP地址和端口號，唯一標識一個進程。IP地址標識的是一個主機，port標識的是一個進程。這個所用的系統調用叫做bind。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                socklen_t addrlen);

不過現代互聯網中，其實這並不能使我們找到一個唯一的進程，因爲IPv4協議之下，公網的IP地址早已經不夠用了。因此我們採用了很多技術手段來使得我們的進程能夠被公網所訪問，如子網掩碼等。但我們必須有一個公網所能夠訪問的IP地址。

bind函數的第二個參數是一個由於歷史原因設計的，使得我們使用不夠靈活的參數，因此，當我們填寫這個參數的時候，通常會使用struct sockaddr_in這個結構體。

接下來，我們使用listen函數來保持對外監聽。當有新連接來的時候，我們只需要接收它就可以了。

int listen(int sockfd, int backlog);
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

在使用這四個系統調用，我們需要使用如下頭文件：

#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h>

而struct sockaddr_in這個結構體，需要包含如下頭文件：

#include <arpa/inet.h>

接下來，讓我們編寫一個簡單的服務器：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <cstdio>

using namespace std;

int main()
{
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd < 0)
    {
        cerr << "socket" << endl;
        return 1;
    }
    struct sockaddr_in bindaddr;
    bindaddr.sin_family = AF_INET;  //這是選擇協議家族，AF_INET屬於IPv4
    
    //這裏的這個INADDR_ANY宏代表我們並不關心IP地址到底是多少，因爲一個主機可能有多個網卡
    //每個都有不用的地址，讓操作系統自己選擇就好
    bindaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 
    bindaddr.sin_port = htons(20000);

    //我們需要將二元組轉換爲bind函數接收的參數
    if(bind(fd, (struct sockaddr*)&bindaddr, sizeof(bindaddr)) < 0)
    {
        cerr << "bind" << endl;
        return 2;
    }

    if(listen(fd, SOMAXCONN) < 0)
    {
        cerr << "listen" << endl;
        return 3;
    }

    while(true)
    {
        struct sockaddr_in peeraddr;
        socklen_t len = sizeof(peeraddr);
        int clientfd;
        //注意，第三個參數是指針，這是個輸出型參數，由操作系統返回
        if((clientfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&peeraddr, &len)) < 0)
        {
            cerr << "accept" << endl;
            return 4;
        }
        char buf[128] = { 0 };
        int n = 0;
        //if((n = read(clientfd, buf, sizeof buf)) < 0)
        //這兩個調用，在這裏起到到的效果是一樣的
        if((n = recv(clientfd, buf, sizeof(buf), 0)) < 0)
        {
            cerr << "read" << endl;
            return 5;
        }
        buf[n] = '\0';
        //cout << buf << endl;
        printf("%s\n", buf);
        //if(write(clientfd, buf, n + 1) < 0)
        //這兩個調用，在這裏起到到的效果是一樣的
        if(send(clientfd, buf, sizeof(buf), 0) < 0)
        {
            cerr << "write" << endl;
            return 6;
        }
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        close(clientfd);//當我們完成與這個客戶端的交互之後，需要用close來關閉與這個客戶端的連接
    }

    return 0;
}

上面的服務器，我們可以用nc -v ip port的命令來對它進行連接，輸入字符後，服務器會原封不動的進行返回，字節數不超過127，服務器編寫的非常簡單，很多的差錯處理都不夠完善。

我們也可以編寫一個客戶端程序來連接我們的服務器：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>

using namespace std;

int main()
{
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in localaddr;
    localaddr.sin_family = AF_INET;
    localaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    localaddr.sin_port = htons(20000);
    if(connect(fd, (struct sockaddr*)&localaddr, sizeof localaddr) < 0)
        return 1;
    char msg[] = "hello";
    char buf [128] = { 0 };
    write(fd, msg, strlen(msg));
    int n = read(fd, buf, sizeof buf);
    buf[n] = 0;
    printf("%s\n", buf);
    memset(buf, 0, sizeof buf);
    close(fd);
}

客戶端連上服務器後，會通過TCP協議，來傳輸一個字符串"hello"，服務器會原封不動的返回給客戶端，構成一個簡單的回射服務器。

那麼如何驗證它是通過TCP協議來發送數據的呢？

我們可以用tcpdump命令來對數據進行抓包。

tcpdump -i any 'port 20000' -XX -nn -vv

上面的ip地址爲127.0.0.1，服務器端口號爲20000，客戶端端口號爲55233，你可以在16進制中分別找到他們，點分十進制的127.0.0.1轉換爲十進制是2130706433，再轉換爲16進製爲7f000001，20000的十六進制爲4e20，客戶端的55233十六進制爲d7c1，你都可以分別在上面的數據包中找到每個協議對應的信息。

我開始寫自己的公衆號了，如果你對服務器有興趣，歡迎關注呀~