Linux网络编程：基于TCP的程序开发回顾篇

面向连接的TCP程序设计

       基于TCP的程序开发分为服务器端和客户端两部分，常见的核心步骤和流程：

       其实按照上面这个流程调用系统API确实可以完全实现应用层程序的开发，一点问题没有。可随着时间的推移，你会觉得这样子的开发毫无激情。为什么TCP的开发就要按照这样的流程来呢？而且一般出的问题几乎都不在这几个系统调用上，原因何在？当我们弄清网络开发的本质，协议栈的设计原理、数据流向等这些问题的答案也就会慢慢浮出水面了。接下来这几篇博文主要是围绕网络编程展开，目的是引出后面对于Linux下TCP/IP协议栈的相关分析做铺垫。

1、  创建socket

到目前为止我们知道socket的作用其实是非常大的，它不仅能够实现不同远端主机间的数据通信，还是可以实现不同进程间的通信，以及用户空间和内核空间的通信等等。其函数原型定义如下：

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

domain：大家习惯性将其翻译成“协议域”或者“地址簇”，牵扯到“协议”这个词估计很多人就又晕了。也难怪，TCP、UDP我们叫协议，IP我们也叫协议，到处都是协议。那么到底什么是协议？说白了，协议其实就是事先规定好的数据通信方式。例如我们经常说的TCP/IP协议默认情况下都指的是IPv4版本协议，现在还有IPv6，它属于另外一种协议，还有在电信网里面经常听到的X.25协议，用户空间和内核空间通信的netlink协议等等。每种协议都有其特定的应用场景。这里，我们可以通俗的将domain理解成“协议种类”。

type：直译就是“类型”的意思。因为不同种类的协议提供了不同的数据传输方式，我们常见的有面向连接的流式传输模式、无连接的数据报传输方式等。

protocol：才是我们具体的协议类型，如TCP、UDP之类的。怎么理解？我们知道在IPv4协议族里，面向连接的流式套接字一般指的都是TCP协议。在电信网中NO.7信令体系中，实现了面向连接的流式套接字的协议就有ISUP和TUP协议。为什么平时一提到面向流式的套接字大家条件反射的就想起了TCP，那是因为我们心里已经默认了前提是IPv4协议族了。一般情况下，对于某种具体的套接字类型(流式或数据报式)都只有一种对应的实现协议，当然你心里必须要知道对于某些协议族有可能有多种协议。对于我们的IPv4而言，在创建socket套接字时，当指定了地址簇、套接字类型、protocol协议字段一般都设置为0。

关于socket()函数我们再打个比方：

假如说socket()函数就是个造人的机器，我们给它输入三个指令：

OK，当我们输入：

socket(黑种人，会说话，英文) =>马丁路德；

socket(黑种人，会说话，英文) =>威尔史密斯；

因为黑人缺省情况下说的话都是英文，所以他们会说话的功能也就仅局限英文了，不会有二义性。

可我们高贵的黄种人就不一样了(JP不在此范畴)，所以会说话的黄种人就多了去了。所以如果我们要造一个会说话的黄种人，必须进一步限定说话的语言才行。

socket(黄种人，会说话，中文) =>孔子；

socket(黄种人，会说话，朝鲜语) =>金正日；

通过这个例子，大家就可以好好体会一下socket()函数三个参数的作用和意义。

2、  绑定地址

它的主要作用是将由socket()函数创建socket文件描述符和一个本地地址结构体绑定起来。本地地址结构体一般都指明了我们这个socket文件描述符所属的协议簇，如果本地是多网卡多IP地址的话，可以在指定与哪个地址进行绑定，如果是任意IP地址一般将地址字段设置为htonl(INADDR_ANY)，以及所使用的端口。函数原型如下：

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

第二个参数my_addr的类型的定义如下：

struct sockaddr{
          unisgned short  as_family;
          char            sa_data[14];
};

我们在Internet编程中一般不用这个结构，而是用：

struct sockaddr_in{
          unsigned short          sin_family;     
          unsigned short int      sin_port;
          struct in_addr          sin_addr;
          unsigned char           sin_zero[8];

}

在调用bind()函数时将一个sockaddr_in{}类型的对象强制转换成sockaddr{}类型赋给bind()函数的第二个参数。

第三个参数addrlen指的是第二个参数在sockaddr{}类型下的实际长度。

3、  系统监听

一般在基于流式的套接字编程中服务器端的开发需要执行这一步。为什么？以后解释。这一步我们主要调用的API函数是：

int listen(int sockfd, int backlog);

该函数的主要作用就是将sockfd变成被动的连接的监听套接字。backlog指明那些已经经过了TCP三次握手的处于established状态的连接项在被系统调度前的最大排队等候数。

4、  主动连接

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

该函数是客户端主动连接服务器的API调用。流式套接字可以调用，面向无连接的套接字也可以使用。但在实际应用中，后者调用该函数的情形还是比较少。

对于面向连接的套接字，当调用该函数时，客户端会向服务端发起一个SYN的连接请求，对于TCP来说此时就开始了3次握手的流程。如果客户端设置为阻塞模式，那么connect()函数会一直阻塞，直到3次握手成功或超时失败才返回；

对于无连接的套接字，调用该函数只是说明了客户端默认情况下发送和接受的数据报都来自serv_addr地址，仅此而已。

5、  接受连接

当客户端主动用connect()去连接服务器时，针对于TCP这样的流式套接字，此时便后触发其3次握手的流程。当然3次握手成功的速度依赖于网络的健康状况和终端的处理性能。当服务器端收到客户端发来的第一个SYN报文，该连接就为半连接状态，处于半连接队列中；对于那些完成了3次握手的连接，TCP会将其从半连接队列移到一个名为established状态的已连接队列里，在accept()函数返回之前该连接项暂时是不可用的：

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

该函数会从处于established状态的连接队列头部取出一个连接，然后生成一个新的socket连接，并返回新的socket文件描述。其中第二个参数addr中存储了来自客户端的一些地址信息，第三个参数addrlen指明了第二个参数所占的字节数。该函数目前也仅用在基于流式的套接字编程里

至此，前面介过listen()函数中backlog的意思现在我们应该已经很明确了。

6、  收发数据

收数据：recv、recvfrom、recvmsg和read

对于recvfrom 和 recvmsg，可同时应用于面向连接的和无连接的套接字。recv一般只用在面向连接的套接字。只要将recvfrom的第五个参数设置NULL，几乎等同于recvfrom，。如果消息太大，无法完整存放在所提供的缓冲区时会根据不同的套接字，多余的字节会丢弃。假如套接字上没有消息可以读取，除非套接字已被设置为非阻塞模式，否则接收调用会等待消息的到来。

发数据：send、sendto、sendmsg和write

send只可用于基于连接的套接字，send 和 write唯一的不同点是标志的存在，当标志为0时，send等同于write。sendto 和 sendmsg既可用于无连接的套接字，也可用于基于连接的套接字。除非套接字设置为非阻塞模式，否则调用将会阻塞直到数据被发送完。

也就说是在TCP编程中，收发数据一般用得最多的就是recv和send或者read和write。

不管怎么说，记住一点就行：recv和send函数提供了和read和write差不多的功能，不过它们提供了第四个参数来控制读写操作。

这里我们仅讨论一下read和write这种更通用的IO操作：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

这两个函数分别由fd所指定的socket套接口发送(接收)count个字节的数据，然后将其存储在buf变量所指向的缓冲区里。这两个函数均返回实际成功发送(接受)的字节数。

7、  关闭连接

int close(int fd);

     调用该函数时对于TCP编程而言会触发一个FIN报文导致连接关闭。

     还是看个小小的例子，热热身：  

     TCP服务器端的开发

//TCP示例服务器端 tcpSrv.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    int skfd,cnfd,addr_len;
    struct sockaddr_in srv_addr,clt_addr;
    int portnumber;
    char hello[]="Hello! Long time no see.\n";
    if(2 != argc || 0 > (portnumber=atoi(argv[1])))
    {
         printf("Usage:%s port\n",argv[0]);
         exit(1);
    }

    /* 创建IPv4的流式套接字描述符 */
    if(-1 == (skfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)))
    {
         perror("Socket Error:");
         exit(1);
    }

    /* 填充服务器端sockaddr地址结构  */
    bzero(&srv_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
    srv_addr.sin_family=AF_INET;
    srv_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    srv_addr.sin_port=htons(portnumber);

    /* 将套接字描述符skfd和地址信息结构体绑定起来  */
    if(-1 == bind(skfd,(struct sockaddr *)(&srv_addr),sizeof(struct sockaddr)))
    {
         perror("Bind error:");
         exit(1);
    }

    /* 将skfd转换为被动建通模式  */
    if(-1 == listen(skfd,4))
    {
         perror("Listen error:");
         exit(1);
    }

    while(1)
    {
       /* 调用accept,服务器端一直阻塞，直到客户程序与其建立连接成功为止*/
        addr_len=sizeof(struct sockaddr_in);
        if(-1 == (cnfd=accept(skfd,(struct sockaddr *)(&clt_addr),&addr_len)))
        {
             perror("Accept error:");
             exit(1);
        }
        printf("Connect from %s:%u ...!\n",inet_ntoa(clt_addr.sin_addr),ntohs(clt_addr.sin_port));
        if(-1 == write(cnfd,hello,strlen(hello))){
             perror("Send error:");
             exit(1);
        }
        close(cnfd);
     }
     close(skfd);
     exit(0);
}

     TCP客户端端的开发如下

//TCP示例客户端 tcpclt.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    int skfd;
    char buf[1024] = {0};
    struct sockaddr_in server_addr;
    struct hostent *host;
    int portnumber,nbytes;
    if(3 != argc || 0>(portnumber=atoi(argv[2])))
    {
         printf("Usage:%s hostname portnumber \n");
         exit(1);
    }
    if(NULL == (host=gethostbyname(argv[1])))
    {
         perror("Gethostname error:");
         exit(1);
    }

    /* 创建socket描述符  */
    if(-1 == (skfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)))
    {
         perror("Socket Error:");
         exit(1);
    }

    /* 客户端填充需要连接的服务器的地址信息结构体       */
    bzero(&server_addr,sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family=AF_INET;
    server_addr.sin_port=htons(portnumber);
    server_addr.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr);

    /* 客户端调用connect主动发起连接请求 */
    if(-1 == connect(skfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr)))
    {
         perror("Connect Error:");
         exit(1);
    }

    /*客户端只接收服务器发来的数据，然后就退出*/
    if(-1 == read(skfd,buf,1024)){
         perror("Recv Error:");
    }
    printf("Date arrived:%s",buf);

    /* 拆除TCP连接     */
    close(skfd);
    exit(0);
}

     以上只是我们对TCP网路程序开发流程的一个简单回顾，主要目的不是为了写出多漂亮的代码，所以没考虑多进程并发访问。只是简单的当客户端和服务器端建立TCP连接后，服务器打印出客户端的地址信息“IP+PORT”,然后服务器向客户端发送一个“Hello! Long time no see.”简单数据，而客户端也仅一个接收函数，将其打印出出来后客户端就退出了。结果如下：

     

     今天主要简单回顾了一下基于TCP的程序开发流程而已。