TCP/IP 网络编程笔记 第一章 理解网络编程和套接字

1.1 理解网络编程和套接字

1.1.1构建打电话套接字

以电话机打电话的方式来理解套接字。

调用 socket 函数（安装电话机）时进行的对话：

问：接电话需要准备什么？

答：当然是电话机。

有了电话机才能安装电话，于是就要准备一个电话机，下面函数相当于电话机的套接字。

#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-1
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调用 bind 函数（分配电话号码）时进行的对话：

问：请问我的电话号码是多少

答：我的电话号码是123-1234

套接字同样如此。就想给电话机分配电话号码一样，利用以下函数给创建好的套接字分配地址信息（IP地址和端口号）：

#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-1
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调用 bind 函数给套接字分配地址之后，就基本完成了所有的准备工作。接下来是需要连接电话线并等待来电。

调用 listen 函数（连接电话线）时进行的对话：

问：已架设完电话机后是否只需链接电话线？

答：对，只需要连接就能接听电话。

一连接电话线，电话机就可以转换为可接听状态，这时其他人可以拨打电话请求连接到该机。同样，需要把套接字转化成可接受连接状态。

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
//成功时返回0，失败时返回-1
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连接好电话线以后，如果有人拨打电话就响铃，拿起话筒才能接听电话。

调用 accept 函数（拿起话筒）时进行的对话：

问：电话铃响了，我该怎么办？

答：接听啊。

#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
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网络编程中和接受连接请求的套接字创建过程可整理如下：

1. 第一步：调用 socket 函数创建套接字。
2. 第二步：调用 bind 函数分配IP地址和端口号。
3. 第三步：调用 listen 函数转换为可接受请求状态。
4. 第四步：调用 accept 函数受理套接字请求。

1.1.2  编写Hello World套接字程序

服务端：

服务器端（server）是能够受理连接请求的程序。下面构建服务端以验证之前提到的函数调用过程，该服务器端收到连接请求后向请求者返回Hello World!答复。除各种函数的调用顺序外，我们还未涉及任何实际编程。因此，阅读代码时请重点关注套接字相关的函数调用过程，不必理解全过程。

服务器端代码请参见：hello_server.c

#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 != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    //调用 socket 函数创建套接字
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serv_sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_addr, 0, 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[1]));
    //调用 bind 函数分配ip地址和端口号
    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    //调用 listen 函数将套接字转为可接受连接状态
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
    //调用 accept 函数受理连接请求。如果在没有连接请求的情况下调用该函数，则不会返回，直到有连接请求为止
    clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_addr, &clnt_addr_size);
    if (clnt_sock == -1)
        error_handling("accept() error");
    //稍后要将介绍的 write 函数用于传输数据，若程序经过 accept 这一行执行到本行，则说明已经有了连接请求
    write(clnt_sock, message, sizeof(message));
    close(clnt_sock);
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}
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客户端：

客户端程序只有调用 socket 函数创建套接字 和 调用 connect 函数向服务端发送连接请求这两个步骤，下面给出客户端，需要查看以下两方面的内容：

1. 调用 socket 函数 和 connect 函数
2. 与服务端共同运行以收发字符串数据

客户端代码请参见

#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[30];
    int str_len;

    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    //创建套接字，此时套接字并不马上分为服务端和客户端。如果紧接着调用 bind,listen 函数，将成为服务器套接字
    //如果调用 connect 函数，将成为客户端套接字
    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    //调用 connect 函数向服务器发送连接请求
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("connect() error!");

    str_len = read(sock, message, sizeof(message) - 1);
    if (str_len == -1)
        error_handling("read() error!");

    printf("Message from server : %s \n", message);
    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}
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编译：

分别对客户端和服务端程序进行编译：

gcc hello_server.c -o hserver
gcc hello_client.c -o hclient
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运行：

./hserver 9190
./hclient 127.0.0.1 9190
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运行的时候，首先再 9190 端口启动服务，然后 heserver 就会一直等待客户端进行响应，当客户端监听位于本地的 IP 为 127.0.0.1 的地址的9190端口时，客户端就会收到服务端的回应，输出Hello World!

1.2 基于 Linux 的文件操作

讨论套接字的过程中突然谈及文件也许有些奇怪。但是对于 Linux 而言，socket 操作与文件操作没有区别，因而有必要详细了解文件。在 Linux 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 I/O 的相关函数。Windows 与 Linux 不同，是要区分 socket 和文件的。因此在 Windows 中需要调用特殊的数据传输相关函数。

1.2.1 底层访问和文件描述符

分配给标准输入输出及标准错误的文件描述符。

文件和套接字一般经过创建过程才会被分配文件描述符。

文件描述符也被称为「文件句柄」，但是「句柄」主要是 Windows 中的术语。因此，在本书中如果设计 Windows 平台将使用「句柄」，如果是 Linux 将使用「描述符」。

1.2.2 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-1
path : 文件名的字符串地址
flag : 文件打开模式信息
*/
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文件打开模式如下表：

1.2.3 关闭文件：

#include <unistd.h>
int close(int fd);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
fd : 需要关闭的文件或套接字的文件描述符
*/
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若调用此函数同时传递文件描述符参数，则关闭（终止）响应文件。另外需要注意的是，此函数不仅可以关闭文件，还可以关闭套接字。再次证明了「Linux 操作系统不区分文件与套接字」的特点。

1.2.4 将数据写入文件：

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
/*
成功时返回写入的字节数 ，失败时返回 -1
fd : 显示数据传输对象的文件描述符
buf : 保存要传输数据的缓冲值地址
nbytes : 要传输数据的字节数
*/
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在此函数的定义中，size_t 是通过 typedef 声明的 unsigned int 类型。对 ssize_t 来说，ssize_t 前面多加的 s 代表 signed ，即 ssize_t 是通过 typedef 声明的 signed int 类型。

创建新文件并保存数据：

代码见：low_open.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
void error_handling(char *message);

int main()
{
    int fd;
    char buf[] = "Let's go!\n";
    // O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC 是文件打开模式，将创建新文件，并且只能写。如存在 data.txt 文件，则清空文件中的全部数据。
    fd = open("data.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC);
    if (fd == -1)
        error_handling("open() error!");
    printf("file descriptor: %d \n", fd);
    // 向对应 fd 中保存的文件描述符的文件传输 buf 中保存的数据。
    if (write(fd, buf, sizeof(buf)) == -1)
        error_handling("write() error!");
    close(fd);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}
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编译运行：

gcc low_open.c -o lopen
./lopen
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然后会生成一个data.txt的文件，里面有Let's go!

1.2.5 读取文件中的数据：

与之前的write()函数相对应，read()用来输入（接收）数据。

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
/*
成功时返回接收的字节数（但遇到文件结尾则返回 0），失败时返回 -1
fd : 显示数据接收对象的文件描述符
buf : 要保存接收的数据的缓冲地址值。
nbytes : 要接收数据的最大字节数
*/
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下面示例通过 read() 函数读取 data.txt 中保存的数据。

代码见：low_read.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 100
void error_handling(char *message);

int main()
{
    int fd;
    char buf[BUF_SIZE];

    fd = open("data.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1)
        error_handling("open() error!");
    printf("file descriptor: %d \n", fd);

    if (read(fd, buf, sizeof(buf)) == -1)
        error_handling("read() error!");
    printf("file data: %s", buf);
    close(fd);
    return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}
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编译运行：

gcc low_read.c -o lread
./lread
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在上一步的 data.txt 文件与没有删的情况下，会输出：

file descriptor: 3
file data: Let's go!
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关于文件描述符的 I/O 操作到此结束，要明白，这些内容同样适合于套接字。

1.2.6 文件描述符与套接字

下面将同时创建文件和套接字，并用整数型态比较返回的文件描述符的值.

代码见：fd_seri.c

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

int main()
{
    int fd1, fd2, fd3;
    //创建一个文件和两个套接字
    fd1 = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    fd2 = open("test.dat", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC);
    fd3 = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    //输出之前创建的文件描述符的整数值
    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 0;
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编译运行：

gcc fd_seri.c -o fds
./fds
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输出结果:

file descriptor 1: 3
file descriptor 2: 15
file descriptor 3: 16
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1.3 基于 Windows 平台的实现

暂略

1.4 基于 Windows 的套接字相关函数及示例

暂略

1.5 习题

1. 套接字在网络编程中的作用是什么？为什么称它为套接字？

P2，网络编程就是编写程序让两台联网的计算机相互交换数据。在我们不需要考虑物理连接的情况下，我们只需要考虑如何编写传输软件。操作系统提供了名为“套接字”，套接字是网络传输传输用的软件设备

socket英文原意是插座：我们把插头插到插座上就能从电网获得电力供给，同样，为了与远程计算机进行数据传输，需要连接到Internet,而变成中的“套接字”就是用来连接该网络的工具

2. 在服务器端创建套接字后，会依次调用listen函数和accept函数。请比较并说明两者作用

listen:将套接字转为可接受连接方式

accept:受理连接请求，并且在没有连接请求的情况调用该函数，不会返回。直到有连接请求为止。二者存在逻辑上的先后关系

3. Linux中，对套接字数据进行I/O时可以直接使用I/O相关函数；而在Windows中则不可以。原因为何？

Linux把套接字也看作是文件，所以可以用文件I/O相关函数；而Windows要区分套接字和文件，所以设置了特殊的函数

4. 创建套接字后一般会给它分配地址，为什么？为了完成地址分配需要调用哪些函数？

要在网络上区分来自不同机器的套接字，所以需要地址信息。分配地址是通过bind()函数实现

5. Linux中的文件描述符与Windows的句柄实际上非常类似。请以套接字为对象说明他们的含义。

Linux的文件描述符是为了区分指定文件而赋予文件的整数值（相当于编号）。Windows的文件描述符其实也是套接字的整数值，其目的也是区分指定套接字。

6. 底层文件I/O函数与ANSI标准定义的文件I/O函数之间有何区别？

ANSI标准定义的输入、输出函数是与操作系统（内核）无关的以C标准写成的函数。相反，底层文件I/O函数是直接提供的。理论上ANSI标准I/O提供了某些机制，性能上由于底层I/O