【TCP/IP网络编程】：01理解网络编程和套接字

1.网络编程和套接字

网络编程与C语言中的printf函数和scanf函数以及文件的输入输出类似，本质上也是一种基于I/O的编程方法。之所以这么说，是因为网络编程大多是基于套接字（socket，网络数据传输的软件设备，操作系统为我们提供的编程接口）来实现数据的输入输出的。

套接字通信过程可以类比打电话的过程（TCP为例）。电话机可以用来拔打和接听，但对于套接字而言，拔打和接听是有区别的。

构建接电话套接字

调用socket函数安装电话机

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
    -> 成功时返回文件描述符，失败时返回-

调用bind函数分配电话号码

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
    -> 成功时返回0，失败时返回-

调用listen函数连接电话

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
    -> 成功时返回0，失败时返回-

调用accept函数接听电话

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
    -> 成功时返回文件描述符，失败时返回-1

网络编程中接受连接请求的套接字创建过程总结如下：

1.调用socket函数创建套接字

2.调用bind函数分配IP地址和端口号

3.调用了listen函数转换为可接收请求状态

4.调用accept函数受理连接请求

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>
 #include <unistd.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <sys/socket.h>

 void error_handling(char *message);

 int main(int argc, char *argv[])
 {
     int serv_sock;
     int clnt_sock;

     struct sockaddr_in serv_addr;
     struct sockaddr_in clnt_addr;
     socklen_t clnt_addr_size;

     char message[]="Hello World!";

     if(argc!=){
         printf("Usage : %s <port>\n", argv[]);
         exit();
     }

     serv_sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );
     if(serv_sock == -)
         error_handling("socket() error");

     memset(&serv_addr, , sizeof(serv_addr));
     serv_addr.sin_family=AF_INET;
     serv_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
     serv_addr.sin_port=htons(atoi(argv[]));

     if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*) &serv_addr, sizeof(serv_addr))==- )
         error_handling("bind() error"); 

     if(listen(serv_sock, )==-)
         error_handling("listen() error");

     clnt_addr_size=sizeof(clnt_addr);
     clnt_sock=accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr,&clnt_addr_size);
     if(clnt_sock==-)
         error_handling("accept() error");  

     write(clnt_sock, message, sizeof(message));
     close(clnt_sock);
     close(serv_sock);
     return ;
 }

 void error_handling(char *message)
 {
     fputs(message, stderr);
     fputc('\n', stderr);
     exit();
 }

hello_server 示例

构建打电话套接字

服务器端创建的套接字又称为服务器端套接字或监听（listening）套接字。而客户端套接字则比较简单，除了创建套接字外，只需要连接过程即可。

客户端发起打电话动作

#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
    -> 成功时返回0，失败时返回-

网络编程中发出连接请求的套接字创建过程总结如下：

1.调用socket函数创建套接字

2.调用connect函数发出连接请求

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>
 #include <unistd.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <sys/socket.h>

 void error_handling(char *message);

 int main(int argc, char* argv[])
 {
     int sock;
     struct sockaddr_in serv_addr;
     char message[];
     int str_len;

     if(argc!=){
         printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[]);
         exit();
     }

     sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );
     if(sock == -)
         error_handling("socket() error");

     memset(&serv_addr, , sizeof(serv_addr));
     serv_addr.sin_family=AF_INET;
     serv_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[]);
     serv_addr.sin_port=htons(atoi(argv[]));

     if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr))==-)
         error_handling("connect() error!");

     str_len=read(sock, message, sizeof(message)-);
     if(str_len==-)
         error_handling("read() error!");

     printf("Message from server: %s \n", message);
     close(sock);
     return ;
 }

 void error_handling(char *message)
 {
     fputs(message, stderr);
     fputc('\n', stderr);
     exit();
 }

hello_client 示例

2.基于Linux的文件操作

在Linux的世界里，socket也被认为是文件的一种，因此在网络数据传输过程中自然可以使用文件I/O相关函数。操作文件或是套接字，首先需要了解什么是文件描述符？文件描述符是一种系统资源，通常是在文件和套接字创建过程由系统分配的一个整数。三个知名文件描述符（标准输入输出及标准错误文件描述符）如下，它们不经过特殊的创建过程，而是伴随系统运行而自动分配的。

下面介绍四个常用文件操作函数

//打开文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *path, int flag);
    -> 成功时返回文件描述符，失败时返回-
    path: 文件名的字符串地址
    flag : 文件打开模式信息

其中，文件打开模式常用值如下，可以通过位或运算传递多个值

//关闭文件
#include <unistd.h>

int close(int fd);
    -> 成功时返回0，失败时返回-
    fd: 需要关闭的文件或套接字的文件描述符

若调用此函数并传入文件描述符，则关闭相应文件，且此函数同时可以关闭套接字。

//写文件
#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const char *buf, size_t nbytes);
    -> 成功时返回写入的字节数，失败时返回-

write函数用于向文件输入数据，当然，通过套接字向其他计算机传输数据亦可使用该函数。

//读文件
#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, char *buf, size_t nbytes);
    -> 成功时返回读出的字节数(遇到文件结尾则返回0)，失败时返回-

read函数用于从文件读出数据，同样，通过套接字从其他计算机接收数据亦可使用该函数。

文件描述符与套接字的关系

通过观察下面程序运行结果可知，描述符从3开始从小到大的顺序编号，再次说明了Linux系统中套接字与文件并无差别。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>

int main(void)
{
    int fd1, fd2, fd3;
    fd1=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );
    fd2=open("test.dat", O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC);
    fd3=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, );

    printf("file descriptor 1: %d\n", fd1);
    printf("file descriptor 2: %d\n", fd2);
    printf("file descriptor 3: %d\n", fd3);

    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    return ;
}

一些思考：

1.INADDR_ANY是什么地址？

2.sockaddr_in与socaddr的关系？

3.为什么客户端不需要bind函数将IP信息绑定到套接字？

4.服务端的阻塞函数是什么？

5.listen函数中，监听套接字参数sockfd的作用？与accept返回的套接字参数sockfd之间的关系？

6.listen函数中，参数backlog怎么理解？

后续系列文章中慢慢给出参考