【UNIX网络编程（四）】TCP套接字编程具体分析

引言：

套接字编程事实上跟进程间通信有一定的相似性，可能也正由于此。stevens这位大神才会将套接字编程与进程间的通信都归为“网络编程”，并分别写成了两本书《UNP1》《UNP2》。

TCP套接字编程是套接字编程中很重要的一种，细致分析，事实上它的原理并不复杂。

如今就以一个样例来具体分析TCP套接字编程。

一、演示样例要求：

本节中试着编写一个完毕的TCP客户/server程序演示样例。并对它进行深入的探讨。该演示样例会用到绝大多数的基本函数。未用到但比較重要的函数会在后面的补充上。

演示样例要完毕的内容是实现一个客户/server程序：

1、客户从标准输入读入一行文本。并写给server。

2、server从网络输入读入这行文本，并回射给客户。

3、客户从网络输入读入这行回射文本，并显示在标准输出上。

用图表示给该客户/server演示样例就是：

大致分析该客户/server程序：首先。客户程序通过fgets函数从标准输入得到文本，然后客户程序调用write函数发给server。server通过read函数读取客户程序发过来的文本，然后server调用write函数将“从client读取的文本”又一次发给client。client调用read函数读取server又一次发给client的文本，之后客户程序调用fputs函数将读取的文本又一次发送到标准输出。

从上面的分析能够看出，TCP客户程序与TCPserver程序是两个独立的程序，它们能够组合使用从而形成一个“TCP回射客户/server程序”。

以下我们首先分别写好client程序、server端程序，并用Socket调试工具，进行调试。调试结束后。组合这两个程序，形成一个客户/server程序。

二、演示样例分析：

在写客户/server程序之前，我们先用图来展示一下各个阶段是怎样工作的。以及客户、server是怎样建立连接并传递数据的。

从上到下依照顺序分析client应用程序以及server段应用程序例如以下：

1、server端调用socket（）函数创建一个套接字，由socket（）函数创建的套接字都是主动套接字，也就是说，即使我们的初衷是在server端创建的套接字。但此时内核并不知道我们的意图，此时的套接字不过一个要调用connect（）函数发起连接的客户套接字。那么该怎样使它变成一个被动套接字呢？也就是说怎样告诉内核应该接受指向该套接字的连接请求呢？必需要经过后面的bind（）函数和listen（）函数。

2、调用完socket（）函数后。TCP此时的状态是CLOSED状态，接下来我们调用bind（）函数。该函数完毕对ip地址和port号的绑定。注意bind函数通常是由server调用的。client一般不会调用该函数绑定地址，由于对于port号，内核会自己主动的帮助client确定它的port号为一个暂时port号。对于IP地址。内核将依据所用外出网络接口来选择源IP地址。

3、server端此时调用listen（）函数，它的任务就是将上面步骤1中socket（）函数创建的主动套接字转换为一个被动套接字，指示内核应该接受指定该套接字的连接请求，同一时候规定了内核应该为对应套接字排队的最大连接数。listen（）函数调用完毕之后，TCP状态由CLOSED状态转换到LISTEN状态。

4、server端调用accept（）函数。它用于从已完毕连接队列对头返回下一个已完毕连接。假设已完毕连接队列为空，那么进程休眠。注意。accept（）函数的第二三个參数分别用来返回已连接的对端进程（客户）的协议地址和套接字地址结构的长度。

假设成功。它的返回值是由内核自己主动生成的一个全兴描写叙述符，代表与所返回客户的TCP连接。

accept（）函数的第一个參数就是socket函数创建的套接字，我们称之为监听套接字。返回值为已连接套接字描写叙述符。

5、由于accept（）函数会使server进程堵塞。等待client的连接。

client用socket（）函数创建一个套接字后。接着客户进程调用connect（）函数建立与TCPserver的连接（注意。client没用bind、listen函数）。对于TCP套接字。connect函数会激发TCP的三路握手过程。即，client发SYN给server。server接到后回发SYN和ACK给client。client接受到server的SYN后。回发ACK给server端。三路握手完毕后。连接建立。此时的client与server端都处于ESTABLISHED状态。连接建立后，我们就能够通过read和write函数在客户和server端进行文本的传送了。

6、当文本发送完成后，客户给server端发送一个FIN结束标志。server端接到FIN后给client回发一个FIN结束标志，然后客户接到server的FIN，在给server发送一个确认标志ACK。

之后。连接断开。两端的TCP状态都处于CLOSED状态。

三、演示样例代码及解说

首先给出client的程序并用TCP/UDP Socket调试工具进行调试，并给出结果：

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>

#define MAXLINE 2048

int
main(int argc, char **argv)
{
	int sockfd;
	char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];
	struct sockaddr_in	cliaddr;

	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);/*创建套接字*/
	if(sockfd < 0){
		printf("socket function fail.\n");
		return -1;
	}

	bzero(&cliaddr, sizeof(cliaddr));
	cliaddr.sin_family = AF_INET;
	cliaddr.sin_port = htons(9877);
	inet_pton(AF_INET, argv[1], &cliaddr.sin_addr);/*对套接字地址结构进行操作*/

	connect(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));/*建立连接*/

	while(fgets(sendline, MAXLINE, stdin) != NULL){
		write(sockfd, sendline, strlen(sendline));	/*利用套接字进行数据发送*/
	}
}

编译该程序：gcc client.c -o client

用调试工具进行调试，用该工具建立TCPserver。port号设为9877，然后运行上面生成的可运行程序./client 59.73.166.231（该IP地址。是我电脑的IP地址。Linux的IP地址是59.73.166.32。它会出如今调试工具的client地址部分）。

并在client发送数据。abc。然后就会在调试工具里显示该文本abc,接着发送def,相同会在调试工具里出现def文本。效果例如以下图所看到的：

由上面能够看出client的port号是53633。它是由内核自己主动分配的。

以下给出server端的程序例如以下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>

char c[2048];

int
main(int argc, char **argv)
{
	int 	n;
	int		sockfd, coundfd;
	struct sockaddr_in serv, client;
	socklen_t socklen;

	/*creat sockfd using the socket function*/
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(sockfd == -1){
		printf("socket function fail.\n");
		return -1;
	}

	/*bind the ip addr and port using the bind function*/
	bzero(&serv, sizeof(serv));
	serv.sin_family 	  = AF_INET;
	serv.sin_addr.s_addr  = htonl(INADDR_ANY);
	serv.sin_port		  = 9877;
	if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(struct sockaddr_in))){
		printf("bind function fail.\n");
		return -1;
	}

	/*listen function*/
	if(listen(sockfd, 5)){
		printf("listen function fail.\n");
		return -1;
	}

	/*accept function*/
	socklen = sizeof(struct sockaddr_in);
	printf("accept wait \n");
	coundfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client, &socklen);
	printf("accept wait \n");

	while(1){
		if((n = read(coundfd, c, 2048) > 0)){
			write(coundfd, c, n);
		}
	}

}

跟上面的客户端程序一样。也能够进行相同的server端程序的測试，此处略去了。

四、完毕的TCP回射客户/server程序

因为上面的程序是进行的測试。client并没有回射部分，以下的代码给出回射部分。

客户程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>

#define MAXLINE 2048
#define SERV_PORT 9877

void str_cli(FILE *, int);

int
main(int argc, char **argv)
{
	int 	sockfd;
	struct  sockaddr_in cliaddr;

	if(argc != 2){
		printf("usage:tcpcli <IPaddress>");
		return -1;
	}

	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
	if(sockfd == -1){
		printf("socket fail.\n");
		return -1;
	}

	bzero(&cliaddr, sizeof(cliaddr));
	cliaddr.sin_family = AF_INET;
	cliaddr.sin_port   = htons(SERV_PORT);
	if(!(inet_pton(AF_INET, argv[1], &cliaddr.sin_addr))){
		printf("inet pton fail.\n");
		return -1;
	}

	if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr))){
		printf("connect fail.\n");
		return -1;
	}

	str_cli(stdin, sockfd);

	exit(0);

}

void
str_cli(FILE *fp, int sockfd)
{
	char 	sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];

	while(fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL){
		write(sockfd, sendline, strlen(sendline));

		if(read(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0)
			printf("str_cli:server terminated prematurely");

		fputs(recvline, stdout);
	}
}

服务器程序：

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define SERV_PORT	9876
#define MAXLINE		2048

void
str_echo(int sockfd)
{
	ssize_t	n;
	char	buf[MAXLINE];

again:
	while((n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)
		write(sockfd, buf, n);

	if(n < 0 && errno == EINTR)
		goto again;
	else if(n < 0)
		printf("str_echo : read error");
}

int
main(int argc, char **argv)
{
	int	listenfd, connfd;
	pid_t	childpid;
	socklen_t	clilen;
	struct	sockaddr_in	cliaddr, servaddr;

	listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
	if(listenfd == -1){
		printf("socket fail.\n");
		return -1;
	}

	bzero(&servaddr, sizeof(struct sockaddr_in));
	servaddr.sin_family 	 = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port 		 = htons(SERV_PORT);

	if(bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr))){
		printf("bind fail.\n");
		return -1;
	}
	if(listen(listenfd, 5)){
		printf("listen fail.\n");
		return -1;
	}

	printf("listen stat.\n");

	for(;;){
		clilen = sizeof(cliaddr);
		connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);
		if(connfd == -1){
			printf("accept fail.\n");
			return -1;
		}
		printf("accept stat.\n");
		if((childpid = fork()) == 0){
			close(listenfd);
			printf("servers.\n");
			str_echo(connfd);
			exit(0);
		}
		close(connfd);
	}

	return 0;
}