Linux socket編程入門及客戶端服務器端通信實現

摘要

隨着社會網絡化的發展，互聯網對人們的生活方式產生極大的影響，同時，也創造了一批互聯網企業，如著名的BAT。作爲一個IT程序員，學會網絡通信編程顯得十分重要，本文將詳細講解網絡編程API之一的套接字編程基本知識，同時充分利用Linux環境下的 Shell腳本和Makefile文件功能，實現一個簡單智能化的安裝配置。

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套接字地址結構

----------------------------------------------------------------------------------套接字地址結構-------------------------------------------------------------------------------------------------

一些概念：

端口：16位整數，TCP，UDP和SCTP用於區分不同的進程，分爲衆所周知的端口（1-1023），已登記的端口（1024-49151）和臨時端口（49152-65535）

套接字：標識每個端點的兩個值（IP地址和端口號），通常稱爲一個套接字。

TCP套接字對：定義連接的兩個端點四元組：本地地址IP，本地TCP端口號，外地IP地址，外地TCP端口號。套接字對唯一標識一個網絡上的每個TCP連接

套接字地址結構定義在 <netinet/in.h> 頭文件中

IPv4 結構：

struct  in_addr {
         in_addr_t  s_addr; // 32-bit IPv4 address, 網絡字節序
};

struct  sockaddr_in {
         uint8_t                        sin_len;   // 結構長度（16B）,若無此項則 協議族爲2B
         sa_family_t               sin_family;// AF_INET
         in_port_t                    sin_port;  //16-bit 端口號
         struct  in_addr       sin_addr;  //32- bit IPv4 地址
         char                             sin_zeros[8];// 未使用

}

通用套接字地址結構（<sys/socket.h>）用於處理不同協議族的地址結構引用傳遞：

struct  sockaddr {
         uint8_t              sa_len;
         sa_family_t      sa_family; // 地址族：AF_XXX value
         char                    sa_data[14];
};


IPv6 結構：

struct  in6_addr {
         in_addr_t  s6_addr[16]; // 128-bit IPv6 address, 網絡字節序
};

#define SIN6_LEN 

struct  sockaddr_in6 {
         uint8_t                        sin6_len;   // 結構長度（28B）
         sa_family_t               sin6_family;// AF_INET6
         in_port_t                    sin6_port;  //16-bit 端口號
	 uint32_t                     sin6_flowinfo; //未定義
         struct  in6_addr     sin6_addr;  //128- bit IPv4 
         uint32_t                               sin6_scope_id;// 範圍地址

}

IPv6通用套接字地址結構（<netinet/in.h>）可容納系統支持的任何套接字地址結構：

struct  sockaddr_storage {
         uint8_t              sa_len;
         sa_family_t      sa_family; // 地址族：AF_XXX value

         /*
         …
         */

};

基本套接字函數

--------------------------------------------------------------------------基本套接字函數使用介紹---------------------------------------------------------------------------------------

基本的TCP套接字編程函數包括 socket，connect，bind，listen，accept等5個函數，需包含頭文件 #include <sys/socket.h>；還有提供服務器併發功能的函數 fork和 exec函數族，和close函數（用於關閉套接字），包含頭文件 #include <unistd.h>

1 socket函數

函數說明：執行網絡I/O，一個進程必須做的一件事即調用socket函數，指定期望的通信協議類型

函數定義：int socket(int family, int type, int protocol);

三個參數分別爲協議族，套接字類型，協議類型常值（通常設置爲0）

IPv4協議用法：sockfd =socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

成功則返回非負描述符，即套接字描述符 sockfd,出錯返回 -1

2 connect函數

函數說明：基於套接字描述符sockfd的函數，用來建立TCP服務器的連接，調用將激發TCP的三路握手過程，僅在連接建立成功或出錯時才返回

函數定義：int connect(int sockfd, conststruct sockaddr *servaddr,socklen_t addrlen);

套接字描述符，套接字地址結構指針和該結構大小

IPv4協議用法：if(connect(sockfd,(struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr)) <0) exit(1);

成功返回0，出錯返回-1

3 bind函數

函數說明：基於套接字描述符sockfd的函數，用來把一個本地協議地址賦予一個套接字，如果不調用bind函數，內核則爲相應的套接字選擇一個臨時端口，但對於服務器來說，需要用bind來綁定一個衆所周知的端口，這是很必要的。

函數定義：int bind(intsockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);

套接字描述符，指向特定於協議的地址結構指針和該地址結構長度

IPv4協議用法：if(bind(sockfd,(struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr))<0) exit(1);

成功返回0，出錯返回-1

4 listen函數

函數說明：僅由TCP服務器調用，在服務器端，socket創建一個套接字時，被假設爲一個主動套接字，即一個將調用connect發起連接客戶套接字，listen函數把一個未連接的套接字轉換成一個被動套接字（等待客戶請求），指示內核應接受指向該套接字的連接請求。通常在調用socket，bind函數之後，並在調用accept函數之前調用。

函數定義：int listen(int sockfd, int backlog) ;

第二個參數規定了內核應該爲相應套接字排隊的最大連接個數。監聽套接字維護兩個隊列：未完成連接隊列（SYN_RCVD）和已完成連接隊列（ESTABLISHED），未完成連接隊列成員經過三路握手成功後可進入已完成連接隊列。

IPv4協議用法：if(listen(sockfd,LISTEN))exit(1);

成功返回0，出錯返回-1

5 accept函數

函數說明：由TCP服務器調用，用於從已完成連接隊列隊頭返回下一個已完成連接，如果已完成連接隊列爲空，則進程被投入睡眠狀態（阻塞）

函數定義：int accpt(intsockfd, struct sockaddr *cliaddr,socklen_t *addrlen);

第一個參數即套接字描述符稱爲監聽套接字（一般用listenfd代替sockfd），剩下倆個爲已連接的對端客戶進程的協議地址和長度，第三個參數爲值-結果參數

IPv4協議用法：connfd=accept(listenfd, (struct sockaddr*) &cliaddr, &len);;

若成功返回非負描述符，稱之爲已連接套接字（常用connfd表示），出錯則返回-1

注-監聽套接字和已連接套接字的區別：一個服務器通常僅創建一個監聽套接字，並且在服務器週期內一直存在，內核爲每個由服務器進程接受的客戶連接創建一個已連接套接字（即TCP三路握手過程已經完成），當服務器完成對給定客戶服務時，相應的已連接套接字關閉。

6 fork函數和exec函數

函數說明：調用一次，返回兩次，即父進程和子進程，根據返回值判斷當前進程是父進程還是子進程。exec函數通常被fork子進程調用，然後將子進程替換成新的程序，被稱爲調用進程，具體可參見我之前總結的一篇對這兩個函數分析的文章：

http://blog.csdn.net/gujinjinseu/article/details/25838381

函數定義：pid_t fork(void);

7 close函數

函數說明：用於關閉套接字，並終止TCP連接

函數定義：int close(int sockfd);

成功返回0，出錯返回-1

注：與shutdown 函數的區別，close 關閉可能是多連接的套接字，此時並不關閉fd,而shutdown則直接關閉fd (file descriptor)

------------------------------------------------------------------------------------TCP客戶/服務器程序示例-----------------------------------------------------------------------------

TCP服務器端程序

/* ==========================================================
			服務器端程序
   ==========================================================
   By	gujj	20140530
*/
   
#include <stdio.h>		// 標準輸入輸出流
#include <netinet/in.h> // socket struct
#include <sys/socket.h>	
#include <time.h>		// time
#include <string.h>		// htons()
#include <stdlib.h>		// exit()
#include <unistd.h>		//write()

#define MAXLINE 4096
#define LISTENQ 1024	// 監聽套接字最大連接數

int main(int argc, char **argv)
{
	// 聲明定義監聽套接字，已連接套接字
	int listenfd, connfd,n;
	// 被動套接字 
	struct sockaddr_in servaddr;
	char buff[MAXLINE];
	time_t ticks;
	
	/* 監聽套接字函數 */
	if(( listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0 )
	{
		printf("socket error! \n");
		exit(1);
	}
	
	/* 初始化服務器端套接字地址結構 */
	memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* 任意地址通配 */
	servaddr.sin_port = htons(13);	/* daytime 服務 */
	
	/* bind 函數 */
	if(bind(listenfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) < 0 )
	{
		printf("bind error! \n");
		exit(1);
	}
	
	/* listen 函數 */
	// 將套接字變成 內核可以接受的形式
	if( listen(listenfd, LISTENQ) < 0 )
	{
		printf( "listen error! \n" );
		exit(1);
	}
	
	/* 循環處理客戶請求並反饋 */
	for( ; ; )
	{
		if((connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr *)NULL,NULL))<0)
		{
			printf("accept error! \n");
			exit(1);
		}
		
		ticks = time(NULL);
		snprintf(buff, sizeof(buff), "%24s\r\n", ctime(&ticks));
		if((n = write(connfd,buff,strlen(buff)))<0)
		{
			printf("write error! \n");
			exit(1);			
		}
		
		if(close(connfd)<0)
		{
			printf("accept error! \n");
			exit(1);			
		}		
	}
	
}

TCP客戶端程序

/* ==========================================================
			客戶端程序
   ==========================================================
   By	gujj	20140530
*/
   
#include <stdio.h>		// 標準輸入輸出流
#include <netinet/in.h> // socket struct
#include <sys/socket.h>	
#include <arpa/inet.h>	// inet_pton()
#include <string.h>		// htons()
#include <stdlib.h>		// exit()
#include <unistd.h>		// read()

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char **argv)
{
	int sockfd,n;
	char recvline[MAXLINE + 1]; // 最後一個結束符
	struct sockaddr_in servaddr;
	
	/* 參數個數判斷 */
	if(argc != 2)
	{
		printf("Usage: a.out <IPaddress> \n");
		exit(1);
	}
	
	/* 套接字函數調用 */
	if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) 
	{
		printf("socket error! \n");
		exit(1);
	}
	
	/* 初始化服務器端套接字地址結構 */
	memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons(13);
	
	/* inet_pton 點分十進制到網絡字節序二進制地址序列轉換 */
	// =0 表示輸入地址錯誤， <0 表示出錯
	if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0)
	{
		printf("inet_pton error for %s \n", argv[1]);
		exit(1);
	}
	
	/* connect 函數 */
	if(connect(sockfd,(struct sockaddr *) &servaddr,sizeof(servaddr))<0)
	{
		printf("connect error! \n");
		exit(1); 
	}
	
	/* read 函數 */
	// n=0 關閉，n>0 讀取字節數， <0 失敗
	while(( n = read(sockfd, recvline, MAXLINE)) > 0 )
	{
		recvline[n] = 0; // 最後一個字節 添加 NULL
		if(fputs(recvline,stdout) == EOF)
		{
			printf("fputs error \n");
			exit(1);
		}
	}
	if(n<0)
	{
		printf("read error \n");
		exit(1);
	}
	
	exit(0);
	
}

Makefile 文件

#---------------------------------------
# Generate Server and Client for TCP
#---------------------------------------
# By Gu Jinjin

# multi-target
all: client server

client: tcpclient.o
	gcc -o client tcpclient.o

server: tcpserver.o
	gcc -o server tcpserver.o

# compile
tcpclient.o: tcpclient.c
	gcc -c -g tcpclient.c
	
tcpserver.o: tcpserver.c
	gcc -c -g tcpserver.c

# define the pseudo-target
.PHONY : cleanall clean

cleanall: clean
	rm -rf client server

clean:
	rm -rf tcpclient.o tcpserver.o

自動化配置Shell腳本

#! /bin/bash

# By Gu Jinjin
# Install client & server for TCP
# Debug or Test function
# Uninstall
# Note: if you edit in NotePad++, please use UTF-8 without BOM style

if [ $# -ne 1 ];then
	echo "\t------------------------------------"
	echo "\tUsage: sh setup <args>"
	echo "\t args are Numbers as follows:"
	echo "\t 1. make, generate executions"
	echo "\t 2. run, make & run"
	echo "\t 3. make clean, rm *.o"
	echo "\t 4. make cleanall, rm files in 1&2"
	echo "\t----------------------"
	echo "\t Exp: sh setup.sh 2 "
	echo "\t----------------------"
	echo "\t------------------------------------"
	exit 1
fi


case $1 in
	
	1)
	make > info.make 2>&1
	;;
	
	2)
	make > info.make 2>&1
	make clean
	path=`echo $PWD`
	sudo $PWD/server &
	#$PWD/client 127.0.0.1
	
	;;
	
	3)
	make clean
	;;
	
	4)
	sudo pkill server
	make cleanall
	rm -rf info.make
	;;
	
	*)
	echo "\tInput Wrong Args, please use command: "
	echo "\t\tsh setup.sh"
	echo "\tfor more Info!"
	;;
	
esac

exit 0

運行示例

編寫腳本實現工程的編譯連接安裝並運行，是Linux系統下的一大特點和優勢，本文實現一個簡單的智能化腳本，提供基於TCP協議的客戶端服務器端運行測試，以及刪除選項，具體參見下圖說明，這裏解釋一下： 1 即make爲運行make命令編譯 client 和server， 2. 即包括1中內容和運行服務器端，在後臺運行， 3. 刪除編譯產生的 .o文件，4. 終止服務器端後臺運行，並刪除所有文件

參考

UNIX網絡編程卷1（第三版）

高級Bash腳本編程指南（Appendix Q，楊春敏，黃毅譯）

Makefile：http://www.chinaunix.net/old_jh/23/408225.html

Linux socket編程入門及客戶端服務器端通信實現 – 基礎篇

摘要

程序安裝包下載

套接字地址結構

基本套接字函數

TCP服務器端程序

TCP客戶端程序

Makefile 文件

自動化配置Shell腳本

運行示例

參考

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