linux网络编程基础

一、套接字地址结构
进行套接字编程需要指定套接字的地址作为参数，不同的协议族有不同的地址结构定义方式。
通常使用sockaddr开头，每个协议族有一个唯一的后缀。
1、通用的套接字地址结构

struct sockaddr{            //套接字地址结构
    sa_family_t sa_family; //协议族
    char sa_data[14];        //协议族数据
};

2、以太网套接字地址结构

struct sockaddr_in{            //以太网套接字地址结构
    u8 sin_len;                //结构struct sockaddr_in的长度，16
    u8 sin_family;            //通常为AF_INET
    u16 sin_port;            //16位的端口号，网络字节序
    struct in_addr sin_addr;//IP地址32位
    char sin_zero[8];        //未用
};
struct in_addr{        //IP地址结构
    u32 s_addr;        //32位IP地址，网络字节序
};

二、TCP网络编程流程
TCP网络编程有两种模式，分别是服务器模式和客户端模式。
服务器模式：创建一个服务程序，等待客户端用户的连接，接收用户请求，根据用户的请求进行处理；
客户端模式：根据服务器的地址和端口进行连接，向服务器发送请求并对服务器的相应进行数据处理。

1、服务器端设计模式
1）套接字初始化socket()
2）套接字与端口的绑定bind()
3）设置服务器的监听listen()
4）接收客户端连接accept()
5）接收和发送数据read()\write()
6）套接字关闭close()

2、客户端设计模式
1）套接字初始化socket()
2）连接服务器connect()
3）读写网络数据read()\write()
4）套接字关闭close()

三、套接字接口函数
1、socket()
socket()函数创建一个套接字文件描述符

函数原型：
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
int socket(int domain,int type,int protocol);
参数说明：
domain：网络通信域
    PF_UNIX,PF_LOCAL 本地通信
    PF_INET ipv4协议
    PF_INET6 ipv6协议
    PF_IPX IPX协议
    PF_NETLINK 内核用户界面设备
    PF_X25 x.25协议
    PF_AX25 ax.25协议
    PF_ATMPVC 原始ATM PVC访问
    PF_APPLETALK appletalk协议
    PF_PACKET 底层包访问
type：套接字通信类型
    SOCK_STREAM：TCP连接
    SOCK_DGRAM：UDP连接
    SOCK_SEQPACKET：序列化包
    SOCK_RAW：原始网络协议访问
    SOCK_RDM：提供可靠的数据报文，可能数据会有乱序
    SOCK_PACKET：专用类型
protocol：指定协议的特定类型

引用层函数socket()与内核函数的关系：
用户调用函数sock=socket(AF_INET,SOCK_stream,0),这个函数会调用系统调用函数sys_socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0).
系统调用sys_socket()分为两个部分，一部分调用sock_create()函数生成内核socket结构，另一部分调用sock_map_fd()
函数与文件描述符绑定，将绑定的文件描述符值传给应用层。
内核sock结构

struct socket{
    socket_state state;//socket状态
    unsigned long flags;//socket标志
    const struct proto_ops *ops;//协议特定的socket操作
    struct fasync_struct *fasync_list;//异步唤醒列表
    struct file *file;//文件指针
    struct sock *sk;//内部网络协议结构
    wait_queue_head_t wait;//多用户时的等待队列
    short type;//socket类型
}

2、bind()
对套接字文件描述符进行地址和端口的绑定

函数原型：
#include<sys/types.h>
#include<sys_socket.h>
int bind(int sockfd,const struct sockaddr *my_addr,socklen_t addrlen);
参数说明：
sockfd：套接字文件描述符
my_addr：地址结构指针
addrlen：地址结构长度

应用层bind()函数和内核函数的关系
应用层函数bind(sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr))调用系统调用
sys_bind(sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr))。sys_bind()函数首先调用函数
sockfd_lookup_light()来获得文件描述符sockfd对应的内核struct sock结构，然后调用函数move_addr_to_kernel()
将应用层的参数my_addr复制进内核，放到address变量中。

3、listen()
初始化服务器可连接队列

#include<sys/socket.h>
int listen(int sockfd,int backlog);
参数说明：
sockfd：套接字文件描述符
backlog：等待队列中的客户端的长度

应用层listen()和内核层listen()的关系：
应用层的listen()函数对应于系统调用sys_listen()函数。sys_listen()函数首先调用sockfd_lookup_light()
获得sockfd对应的内核结构struct sock，得到backlog值。然后调用抽象的listen()函数（如AF_INET的listen()函数）
inet_listen()。inet_listen()函数首先判断是否合法的协议族和协议类型，然后更新socket的状态值为TCP_LISTEN，
然后为客户端的等待队列申请空间并设定监听端口。

4、accept()
接收客户端的请求。调用accept成功后会返回一个新的套接字文件描述符来表示客户端的连接。

函数原型：
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
int accept(int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen_t *addrlen);
参数说明：
sockfd：socket()函数创建的套接字文件描述符
addr：客户端连接的地址结构
addrlen：客户端地址结构长度

应用层accept()函数和内核函数的关系
应用层的accept()函数对应内核层的sys_accept()系统调用函数。函数sys_accept()查找文件描述符对应的内核socket
结构、申请一个用于保存客户端连接的新内核socket结构、执行内核接收函数、获得客户端的地址信息、将连接的客户
端地址信息复制到应用层的用户、返回连接客户端socket对应的文件描述符。

5、connect()
连接指定参数的服务器。

函数原型：
#include<sys/types.h>
#include<sys.socket.h>
int connect(int sockfd,struct sockaddr *,int addrlen);
参数说明：
sockfd：套接字文件描述符
struct sockaddr：服务器地址结构指针
addrlen：服务器地址结构长度

6、write()/read()
套接字的读写方式和普通文件的读写方式相同
int write(int sockfd,char *buf,int len);
int read(int sockfd,char *buf,int len);

7、close()
关闭套接字，释放资源
int close(int sockfd);

8、shutdown()
提供多种方式关闭连接,关闭双连接的一部分

#include<sys/socket.h>
int shutdown(int s,int how);
参数说明：
s：套接字文件描述符
how：切断方式
    SHUT_RD：切断读
    SHUT_WD：切断写
    SHUT_RDWD：切断读写

四、示例
1、服务器端程序server_tcp.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<strings.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<linux/in.h>

#define PORT 8888 //端口
#define BACKLOG 5 //监听队列的长度

//服务器对客户端的处理
void process_conn_server(int s)
{
    ssize_t size=0;
    char buffer[1024];

    for(;;)
    {
        size=read(s,buffer,sizeof(buffer));
        if(size==0)
        {
            printf("read error\n");
            return ;
        }
        sprintf(buffer,"%s bytes",size);
        write(s,buffer,sizeof(buffer)+1);
    }
    close(s);
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    int ss,cc;
    struct sockaddr_in server_addr,client_addr;
    int err;
    pid_t pid;

    //创建流式套接字TCP
    ss=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(ss<0)
    {
        printf("creat sock error\n");
        return -1;
    }

    //设置服务器地址
    bzero(&server_addr,sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family=AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port=htons(PORT);

    //绑定地址到套接字
    err=bind(ss,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr));
    if(err<0)
    {
        printf("bind error\n");
        return -1;
    }

    //设置监听队列
    err=listen(ss,BACKLOG);
    if(err<0)
    {
        printf("listen error\n");
        return -1;
    }

    //主循环过程
    for(;;)
    {
        int addrlen=sizeof(struct sockaddr);
        //接收客户端连接
        cc=accept(ss,(struct sockaddr *)&client_addr,&addrlen);
        if(cc<0)
        {
            continue;
        }

        //创建子进程
        pid=fork();
        if(pid==0)//子进程
        {
            close(ss);//关闭继承的父进程的服务器端套接字文件描述符
            process_conn_server(cc);
        }else{
            close(cc);//父进程中关闭子进程的连接
        }
    }
    close(ss);

    return 0;
}

2、客户端网络程序client_tcp.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<strings.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<linux/in.h>

#define PORT 8888    //端口

void process_conn_client(int ss)
{
    ssize_t size=0;
    char buffer[1024];

    for(;;)
    {
        size=read(0,buffer,sizeof(buffer));
        if(size==0)
        {
            printf("read error\n");
            return;
        }
        write(ss,buffer,size);
        size=read(ss,buffer,sizeof(buffer));
        write(1,buffer,size);
    }
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    struct sockaddr_in server_addr;
    int err;
    int ss;

    //创建流式套接字
    ss=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(ss<0)
    {
        printf("creat socket error\n");
        return -1;
    }

    //设置服务器地址
    bzero(&server_addr,sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family=AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port=htons(PORT);
    inet_pton(AF_INET,argv[1],&server_addr.sin_addr);

    //连接服务器
    connect(ss,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(struct sockaddr));
    process_conn_client(ss);
    close(ss);//关闭连接

    return 0;
}

五、信号处理
注册信号处理函数
#include
typedef void (sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum,sigheadler_t handler);