C語言網絡編程——TCP

1.1 套接字

C語言網絡編程其實本質上也是多進程之間通過socket套接字進行通信，知識進程可能位於不同的服務器上，常用的TCP/IP協議有3種套接字類型，如下所示：

1.1.1 流套接字（SOCK_STREAM）

流套接字用於提供面向連接、可靠的數據傳輸服務，該服務保證數據能夠實現無差錯、無重復發送，並按照順序接受。流套接字之所以能偶實現可靠的數據服務，原因在於使用了TCP傳輸控制協議。

1.1.2 數據報套接字（SOCK_DGRAM）

數據包套接字提供了一種無連接的服務，該服務不能保證數據傳輸的可靠性，數據有可能在傳輸過程中丟失或者出現數據重復，且無法保證順序的接受數據。數據報套接字使用UDP進行數據傳輸。

1.1.3 原始套接字（SOCK_RAW）

原始套接字允許對較低層次的協議直接訪問，常用於檢驗新的協議實現，或者訪問現有服務中配置的新設備，因為器可以自如控制Window下的多種協議，能夠對網絡地城的傳輸機制進行控制，所以可以應用原始套接字來操縱網絡層和傳輸層應用。如：通過原始套接字接受發向本機的ICMP、IGMP，或者接受TCP/IP棧不能處理的IP包。

1.1.3 C語言套接字數據結構

套接字通常由三個參數構成：IP地址， 端口號、傳輸層協議。C語言進行套接字編程的時候，通常會使用sockaddr和sockaddr_in兩種數據類型，用於保存套接字信息。

struct sockaddr
{
	// 地址族，2字節
	unsigned short sa_family;
	// 存放地址和端口
	char sa_data[14];

}

struct sockaddr_in
{
	// 地址族
	short int sin_family;
	// 端口號
	unsigned short int sin_port;
	// 地址
	struct in_addr sin_addr;
	// 8字節數組，全為0，該字節數組的作用是為了讓兩種數據結構大小相同而保留的空字節
	unsigned char sin_zero[8];
}

對於sockaddr，大部分的情況下知識用於bind、connect、recvform、sendto等函數的參數，指明地址信息，在一般編程中，並不對此結構體直接操作，而是用sockaddr_in代替。
兩種數據結構中，地址族都占2個字節，常見的地址族AF_INET, AF_INET6, AF_LOCAL。這里要注意字節序的問題，建議使用以下函數來對端口和地址進行處理。

uint16_t htons(uint16_t bost16bit)
uint32_t htonl(uint32_t bost32bit)
uint16_t ntons(uint16_t net16bit)
uint32_t ntons(uint32_t net32bit)

1.2 基於TCP的網絡編程

客戶端和服務器的連接和三次握手發生在accept函數下，listen函數知識創建了socket的監聽模式。

使用socket進行TCP通信時，經常使用的函數如下表所示。

函數	作用
socket	用於建立一個socket連接
bind	將socket與本機的一個端口綁定， 隨后可以在該端口監聽服務請求
connect	面向連接的客戶程序使用connect函數來配置socket，並於遠程服務器建立一個連接
listen	是socket處於被動監聽模式， 並為該socket建立一個輸入數據隊列，將到達服務器請求保存在此隊列中，直到程序處理他們
accept	讓服務器接收客戶端的連接請求
close	停止在該socket上的任何操作
send	數據發送函數
recv	數據接收函數

1.2.1 服務端實現

服務端程序流程如下：

1. 使用socket()函數創建一個socket
2. 使用bind()函數，綁定ip地址、端口等信息到socket上
3. 使用listen()函數，設置允許的最大連接數
4. 使用accept()函數，接收客戶端上來的連接
5. 使用send()和recv()函數或read()和write()函數，收發數據
6. 使用close()函數關閉連接
   實現代碼：

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

#define MAX_SIZE 512
#define PORT 3332

int main(void)
{
    int sockfd;
    int sock_fd;
    int recvnum;
    int addrlen = sizeof(struct sockaddr);
    struct sockaddr_in my_addr;
    struct sockaddr addr;
    char buf[MAX_SIZE];
	// 填充服務器端的數據，用於套接字綁定
    bzero(&my_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
    my_addr.sin_family = AF_INET; // 設置為IPV4
    my_addr.sin_port = htons(PORT); // 將端口號主機序轉換為網絡序
    my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.192.128"); // ip設置為192.168.192.128
	// 創建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        printf("create socket error!\n");
        exit(1);
    }
    // 綁定套接字
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, addrlen) < 0)
    {
        printf("bind error!\n");
        exit(1);
    }
	// 監聽端口和ip，設置最大連接數為3
    if (listen(sockfd, 3) < 0)
    {
        printf("listen error!\n");
        exit(1);
    }
	// 建立服務器端和客戶端連接
    sock_fd = accept(sockfd, &addr, &addrlen);
    // 建立連接后，產生新的套接字
    if (sock_fd < 0)
    {
        printf("accept error!\n");
        exit(1);
    }
	// 接收數據
    if ((recvnum = recv(sock_fd, (void *)buf, MAX_SIZE, 0)) < 0)
    {
        printf("recv error!\n");
        exit(1);
    }
    buf[recvnum] = '\0';
    printf("recv from client: %s\n", buf);
    memset(buf, 0, MAX_SIZE);
    // 關閉連接
    close(sockfd);
    close(sock_fd);
    return 0;
}

1.2.2 客戶端實現

客戶端程序流程如下：

1. 使用socket()函數，創建一個socket
2. 設置要連接的服務端ip地址和端口等屬性
3. 使用connect()函數，連接服務器端
4. 使用send()和recv()函數或read()和write()函數，收發數據
5. 使用close()函數關閉網絡連接

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

#define MAX_SIZE 512
#define PORT 3332

int main()
{
    int sockfd;
    int addrlen = sizeof(struct sockaddr);
    char buf[MAX_SIZE];
    struct sockaddr_in serv_addr;
	// 填充服務器端數據
    bzero(&serv_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = ntohs(PORT);
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.192.128");
	// 創建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        printf("create socket error!\n");
        exit(1);
    }
	// 連接服務器端
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, addrlen) < 0)
    {
        printf("connect error!\n");
        exit(1);
    }
	// 發送數據到服務端
    memset(buf, 0, MAX_SIZE);
    printf("enter some text:");
    scanf("%s", buf);

    if (send(sockfd, (void *)buf, MAX_SIZE, 0) < 0)
    {
        printf("send error!\n");
        exit(1);
    }
	// 關閉連接
    close(sockfd);
    return 0;
}