TCP编程入门简介

2022-08-25 15:36:11 浏览数 (1)

在前几篇文章中，我们先从宏观角度(TCP 概述)大致介绍了 tcp 的概念，然后从微观角度(滑动窗口、拥塞窗口等)详细说明了从 client 端和 server 端，tcp 是如何进行网络控制的。在本文中，我们将通过一个 tcp 例子，将整个过程联通起来，讲解 tcp 从连接、发送以及关闭，整个流程是怎样运行的。

示例代码

server.c

代码语言：javascript复制
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char **) {
    int server_fd, new_socket, valread;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[1024] = {0};
    char *hello = "hello from server";
    int port = 8080；

    // 创建socket文件描述符
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        return 1;
    }


     // 端口 & 地址复用
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT,
                                                  &opt, sizeof(opt))) {
        return 1;
    }
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons( port );

    // 绑定8080端口
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address,
                                 sizeof(address))<0) {
        perror("bind failed");
        return 1;
    }
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        return 1;
    }
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address,
                       (socklen_t*)&addrlen))<0) {
        return 1;
    }
    valread = read( new_socket , buffer, 1024);
    // 向client发送消息
    send(new_socket , hello , strlen(hello) , 0 );
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

client.c

代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int sock = 0, valread;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char *hello = "hello from client";
    char buffer[1024] = {0};
    int port = 8080;
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {        return -1;
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(port);

    if(inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr)<=0) {
        return 1;
    }

    // 建立连接
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        return 1;
    }
    send(sock , hello , strlen(hello) , 0 );
    valread = read( sock , buffer, 1024);
    close(sock);
    return 0;
}

上面是 tcp 的示例代码，很简单，算是网络编程的入门级代码。读者可以使用下面命令进行编译:

代码语言：javascript复制
gcc -g server.c -o server
gcc -g client.c -o client

过程分析

下面，我们分析前面的示例代码， 对于 server 端：

1、创建 socket

2、bind 端口

3、listen

4、accept 新的连接，获取新连接的 socket

5、通过 read 函数，接收数据

6、通过 send 函数，发送数据

7、调用 close 函数关闭 socket

对于 client 端：

1、创建 socket

2、通过 connect 与 server 端建立连接

3、通过 send 发送数据

4、通过 recv 接收数据

5、close socket

对于 server 端和 client 端的每个步骤，其都是有关联的，比如 client 端调用 connect 之后，server 端将从 accept 函数返回，其返回值是新连接的 socket 等等。下面，我们将以一个图的方式来了解两端的联系。

详述

socket()
代码语言：javascript复制
#include <sys/socket.h>

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

socket 系统调用通过分配一个新的描述符来创建一个新的套接字。它唯一标识一个 socket。这个 socket 描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。成功时返回一个非负的文件描述符编号，错误时返回-1。

  • domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET（IPv4)、AF_INET6(IPv6)、AF_LOCAL（或称 AF_UNIX，Unix 域 socket）、AF_ROUTE 等等。
  • type：指定 socket 类型。常用的 socket 类型有，SOCK_STREAM（流式套接字）、SOCK_DGRAM（数据报式套接字）、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET 等等
  • protocol：就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、PPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC 等，它们分别对应 TCP 传输协议、UDP 传输协议、STCP 传输协议、TIPC 传输协议。

在此，需要注意的是，并不是上面的 type 和 protocol 可以随意组合的，如 SOCK_STREAM 不可以跟 IPPROTO_UDP 组合。当 protocol 为 0 时，会自动选择 type 类型对应的默认协议。由于数据流的 IP 协议就是 TCP，前两个参数已经有效地指定了 TCP。因此，第三个参数可以保留为 0，让操作系统分配一个默认协议（这将是 IPPROTO_TCP）。

bind()
代码语言：javascript复制
 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
 #include <sys/socket.h>

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

bind 函数用来绑定 socket 的本地地址和端口号。

  • sockfd 是待绑定的 socket 对应的文件描述符。
  • addr 一个 const struct sockaddr *指针，指向要绑定给 sockfd 的协议地址。
  • addrlen 必须是结构体的大小 sockaddr_in（或正在使用的任何结构）。
代码语言：javascript复制
struct in_addr {
u_int32_t s_addr;
};

struct sockaddr_in {
short sin_family;
u_short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
char sin_zero[8];
};

sin_port 指定要使用的 16 位端口号。它在网络中给出（大端）字节顺序，因此必须使用 htons 将主机字节顺序转换为网络字节顺序。

将 sin 端口值指定为 0 会告诉操作系统选择端口号。操作系统将在 1024 和 5000 之间选择一个未使用的端口号作为应用程序。注意只有超级用户才能绑定 1024 以下的端口号。

对于 bind 系统调用，此处需要注意的是，在 client 不需要强制调用，而在 server 端需要强制调用，这是因为，在 server 端，bind 之后，要进行端口监听。而在 client 端，如果代码中没有执行此系统调用，则在内核中会隐式执行此调用。

connect()
代码语言：javascript复制
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

通过执行 connect 函数，与 server 端建立连接。

  • sockfd socket 对应的文件描述符。
  • addr 指定了对端的 ip 和端口。
  • addrlen 指定了上面结构体的大小

经典的三次握手，就在 connect 阶段，如下图：

listen()
代码语言：javascript复制
 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
 #include <sys/socket.h>

 int listen(int sockfd, int backlog);

listen() 函数的主要作用就是将套接字( sockfd )变成被动的连接监听套接字（被动等待客户端的连接），至于参数 backlog 的作用是设置内核中连接队列的长度（该参数在现在大部分系统中已经不被使用），listen()的作用仅仅告诉内核一些信息。成功返回 0，否则返回-1.

  • sockfd 是绑定到要接受的端口的未连接套接字连接。
  • backlog 以前指定了操作系统在应用程序之前接受的连接数。现在这个值已经没用了。

这里需要注意的是，listen()函数不会阻塞，它主要做的事情为，将该套接字和套接字对应的连接队列长度告诉 Linux 内核，然后，listen()函数就结束。

accept()
代码语言：javascript复制
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

accept()函数功能是，从处于 established 状态的连接队列头部取出一个已经完成的连接，如果这个队列没有已经完成的连接，accept()函数就会阻塞，直到取出队列中已完成的用户连接为止。如果没有客户端连接，accept 将阻塞直到一个 做。错误返回 -1。

  • sockfd 指的是上面绑定以及 listen 的 socket 描述符
  • addr 在有连接过来的时候，里面的内容就是 client 端的信息
  • addrlen 上一个变量的长度

需要注意的是，accept 的功能并不是建立连接，而是从当前连接的等待队列中获取一条连接。

accept 的第一个参数为服务器的 socket 描述字，是服务器开始调用 socket()函数生成的，称为监听 socket 描述字；而 accept 函数返回的是已连接的 socket 描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听 socket 描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接 socket 描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接 socket 描述字就被关闭。

send()
代码语言：javascript复制
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

向指定 socket 发送数据。

  • sockfd 指定 socket 描述符
  • buf 待发送的数据 buf
  • len 数据 buf 长度
  • flags 发送标记。其值为 MSG_CONFIRM MSG_DONTROUTE MSG_DONTWAIT MSG_EOR MSG_MORE MSG_NOSIGNAL MSG_OOB 中 1 个或者几个的逻辑或或者逻辑与值

对于 send()的详细讲解，请转阅TCP之send&recv

recv()
代码语言：javascript复制
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

从指定socket中读取数据。

  • sockfd 指定 socket 描述符
  • buf 接收数据 buf
  • len 接收数据buf 长度
  • flags 发送标记。其值为 MSG_CMSG_CLOEXEC MSG_DONTWAIT MSG_ERRQUEUE MSG_OOB MSG_PEEK MSG_TRUNC MSG_WAITALL 中 1 个或者几个的逻辑或或者逻辑与值

对于 recv()的详细讲解，请转阅TCP之send&recv

close()
代码语言：javascript复制
 #include <unistd.h>

 int close(int fd);

关闭socket。

  • fd为待关闭的文件描述符

close 一个套接字的默认行为是把套接字标记为已关闭，然后立即返回到调用进程，该套接字描述符不能再由调用进程使用，也就是说它不能再作为send或recv的第一个参数，然而TCP将尝试发送已排队等待发送到对端，发送完毕后发生的是正常的TCP连接终止序列。在多进程并发服务器中，父子进程共享着套接字，套接字描述符引用计数记录着共享着的进程个数，当父进程或某一子进程close掉套接字时，描述符引用计数会相应的减一，当引用计数仍大于零时，这个close调用就不会引发TCP的四路握手断连过程。四次挥手就在这个步骤。

结语

本文从一个代码示例入手，讲解了tcp整个过程中各个系统调用函数的功能，以便从一个整体上层视角去观察整个tcp的编码以及运行过程。tcp确实太复杂了，笔者调研和阅读了大量的文章，才有了该系列文章，可能会由于调研不充分，难免有欠缺或者错误的地方，读者可以联系本人。如果说有技术方面的问题或者心得，都可以与笔者联系沟通，共同学习。

socket编程 tcp/ip

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