TCP程序設計

使用TCP套接字編程可以實現基於TCP/IP協議的面向連接的通信，它分為服務器端和客戶端兩部分，其主要實現過程如下圖所示：

 

TCP客戶/服務器的套接字函數

１、socket函數：為了執行網絡輸入輸出，一個進程必須做的第一件事就是調用socket函數獲得一個文件描述符。

#include <sys/socket.h>
 int socket(int family,int type,int protocol); 　　　
 //返回：非負描述字－－－成功　　　-1－－－失敗

第一個參數指明了協議簇，目前支持5種協議簇，最常用的有AF_INET(IPv4協議)和AF_INET6(IPv6協議)；
第二個參數指明套接口類型，有三種類型可選：SOCK_STREAM(字節流套接口)、SOCK_DGRAM(數據報套接口)和SOCK_RAW(原始套接口)；
如果套接口類型不是原始套接口，那么第三個參數就為0。

２、connect函數：當用socket建立了套接口后，可以調用connect為這個套接字指明遠程端的地址；如果是字節流套接口，connect就使用三次握手建立一個連接；如果是數據報套接口，connect僅指明遠程端地址，而不向它發送任何數據。

#include <sys/socket.h>　　 　 　
 int connect(int sockfd, const struct sockaddr * addr, socklen_t addrlen); 　
 //返回：0－－－成功　　　-1－－－失敗

第一個參數是socket函數返回的套接口描述字；第二和第三個參數分別是一個指向套接口地址結構的指針和該結構的大小。
這些地址結構的名字均已“sockaddr_”開頭，並以對應每個協議族的唯一后綴結束。以IPv4套接口地址結構為例，它以“sockaddr_in”命名，定義在頭文件<netinet/in.h>；以下是結構體的內容：

struct in_addr {
    in_addr_t s_addr;　　 　 /* IPv4地址 */
}; 
struct sockaddr_in {
    uint8_t sin_len; /* 無符號的8位整數 */
    sa_family_t sin_family;
    /* 套接口地址結構的地址簇，這里為AF_INET */
    in_port_t sin_port; /* TCP或UDP端口 */
    struct in_addr sin_addr;
    char sin_zero[8];  
};

3、bind函數：為套接口分配一個本地IP和協議端口，對於網際協議，協議地址是32位IPv4地址或128位IPv6地址與16位的TCP或UDP端口號的組合；如指定端口為0，調用bind時內核將選擇一個臨時端口，如果指定一個通配IP地址，則要等到建立連接后內核才選擇一個本地IP地址。

#include <sys/socket.h> 　
 int bind(int sockfd, const struct sockaddr * server, socklen_t addrlen);
 //返回：0－－－成功　　　-1－－－失敗　

第一個參數是socket函數返回的套接口描述字；第二和第第三個參數分別是一個指向特定於協議的地址結構的指針和該地址結構的長度。

4、listen函數：listen函數僅被TCP服務器調用，它的作用是將用sock創建的主動套接口轉換成被動套接口，並等待來自客戶端的連接請求。

#include <sys/socket.h>
 int listen(int sockfd,int backlog); 　　
 //返回：0－－－成功　　　-1－－－失敗

第一個參數是socket函數返回的套接口描述字；第二個參數規定了內核為此套接口排隊的最大連接個數。由於listen函數第二個參數的原因，內核要維護兩個隊列：以完成連接隊列和未完成連接隊列。未完成隊列中存放的是TCP連接的三路握手為完成的連接，accept函數是從以連接隊列中取連接返回給進程；當以連接隊列為空時，進程將進入睡眠狀態。

5、accept函數：accept函數由TCP服務器調用，從已完成連接隊列頭返回一個已完成連接，如果完成連接隊列為空，則進程進入睡眠狀態。

#include <sys/socket.h> 　　 　 　 　
 int accept(int listenfd, struct sockaddr *client, socklen_t * addrlen);
 //返回：非負描述字－－－成功　　　-1－－－失敗

第一個參數是socket函數返回的套接口描述字；第二個和第三個參數分別是一個指向連接方的套接口地址結構和該地址結構的長度；該函數返回的是一個全新的套接口描述字；如果對客戶段的信息不感興趣，可以將第二和第三個參數置為空。

6、write和read函數：當服務器和客戶端的連接建立起來后，就可以進行數據傳輸了，服務器和客戶端用各自的套接字描述符進行讀/寫操作。因為套接字描述符也是一種文件描述符，所以可以用文件讀/寫函數write()和read()進行接收和發送操作。

（1）write()函數用於數據的發送。

#include <unistd.h> 　　 　 　 　
 int write(int sockfd, char *buf, int len);　
 //返回：非負－－－成功　　　-1－－－失敗

參數sockfd是套接字描述符，對於服務器是accept()函數返回的已連接套接字描述符，對於客戶端是調用socket()函數返回的套接字描述符；參數buf是指向一個用於發送信息的數據緩沖區；len指明傳送數據緩沖區的大小。

（2）read()函數用於數據的接收。

 

#include <unistd.h> 　　 　 　 　
 int read(int sockfd, char *buf, intlen); 　
 //返回：非負－－－成功　　　-1－－－失敗

參數sockfd是套接字描述符，對於服務器是accept()函數返回的已連接套接字描述符，對於客戶端是調用socket()函數返回的套接字描述符；參數buf是指向一個用於接收信息的數據緩沖區；len指明接收數據緩沖區的大小。

7、send和recv函數：TCP套接字提供了send()和recv()函數，用來發送和接收操作。這兩個函數與write()和read()函數很相似，只是多了一個附加的參數。

（1）send()函數用於數據的發送。

#include <sys/types.h>
#include < sys/socket.h > 　　 　 　 　
 ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags); 　
 //返回：返回寫出的字節數－－－成功　　　-1－－－失敗

前3個參數與write()相同，參數flags是傳輸控制標志。

（2）recv()函數用於數據的發送。

 

#include <sys/types.h>
#include < sys/socket.h > 　　 　 　 　
 ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags); 　
 //返回：返回讀入的字節數－－－成功　　　-1－－－失敗

前3個參數與read()相同，參數flags是傳輸控制標志。

參考程序（tcpserver.c）：

Linux下TCP服務器套接字程序，程序運行時服務器等待客戶的連接，一旦連接成功，則顯示客戶的IP地址、端口號，並向客戶端發送字符串。執行命令./ tcpserver，觀察結果。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
     
#define  PORT 1234
#define  BACKLOG 1
 
int main()
{
    int  listenfd, connectfd;
    struct  sockaddr_in server;
    struct  sockaddr_in client;
    socklen_t  addrlen;
    if((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {
       perror("Creating  socket failed.");
       exit(1);
    }
    int opt =SO_REUSEADDR;
    setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
    bzero(&server,sizeof(server));
    server.sin_family=AF_INET;
    server.sin_port=htons(PORT);
    server.sin_addr.s_addr= htonl (INADDR_ANY);
    if(bind(listenfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) == -1) {
       perror("Binderror.");
       exit(1);
    }   
    if(listen(listenfd,BACKLOG)== -1){  /* calls listen() */
       perror("listen()error\n");
       exit(1);
    }
    addrlen =sizeof(client);
    if((connectfd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&addrlen))==-1) {
       perror("accept()error\n");
       exit(1);
    }
    printf("Yougot a connection from cient's ip is %s, prot is %d\n",inet_ntoa(client.sin_addr),htons(client.sin_port));
    send(connectfd,"Welcometo my server.\n",22,0);
    close(connectfd);
    close(listenfd);
    return 0;
}

參考程序（tcpclient.c）：

1、客戶根據用戶提供的IP地址連接到相應的服務器；
2、服務器等待客戶的連接，一旦連接成功，則顯示客戶的IP地址、端口號，並向客戶端發送字符串；
3、客戶接收服務器發送的信息並顯示。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
     
#define  PORT 1234
#define  BACKLOG 1
 
int main(int argc, char *argv[])
    {
       int  sockfd, num;
       char  buf[MAXDATASIZE];
       struct hostent *he;
       struct sockaddr_in server;
       if (argc!=2) {
           printf("Usage:%s <IP Address>\n",argv[0]);
           exit(1);
       }
       if((he=gethostbyname(argv[1]))==NULL){
           printf("gethostbyname()error\n");
           exit(1);
       }
       if((sockfd=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))==-1){
           printf("socket()error\n");
           exit(1);
       }
       bzero(&server,sizeof(server));
       server.sin_family= AF_INET;
       server.sin_port = htons(PORT);
       server.sin_addr =*((struct in_addr *)he->h_addr);
       if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&server,sizeof(server))==-1){
           printf("connect()error\n");
           exit(1);
       }
       if((num=recv(sockfd,buf,MAXDATASIZE,0)) == -1){
          printf("recv() error\n");
          exit(1);
       }
       buf[num-1]='\0';
       printf("Server Message: %s\n",buf);
       close(sockfd);
       return 0;
}
    

實驗結果：

服務器端：

客戶端：