【UNIX网络编程（四）】TCP套接字编程详细分析

引言：

套接字编程其实跟进程间通信有一定的相似性，可能也正因为此，stevens这位大神才会将套接字编程与进程间的通信都归为“网络编程”，并分别写成了两本书《UNP1》《UNP2》。TCP套接字编程是套接字编程中非常重要的一种，仔细分析，其实它的原理并不复杂。现在就以一个例子来详细分析TCP套接字编程。

一、示例要求：

本节中试着编写一个完成的TCP客户/服务器程序示例，并对它进行深入的探讨。该示例会用到绝大多数的基本函数，未用到但比较重要的函数会在后面的补充上。示例要完成的内容是实现一个客户/服务器程序：

1、客户从标准输入读入一行文本，并写给服务器；

2、服务器从网络输入读入这行文本，并回射给客户。

3、客户从网络输入读入这行回射文本，并显示在标准输出上。

用图表示给该客户/服务器示例就是：

大致分析该客户/服务器程序：首先，客户程序通过fgets函数从标准输入得到文本，然后客户程序调用write函数发给服务器。服务器通过read函数读取客户程序发过来的文本，然后服务器调用write函数将“从客户端读取的文本”重新发给客户端。客户端调用read函数读取服务器重新发给客户端的文本，之后客户程序调用fputs函数将读取的文本重新发送到标准输出。

从上面的分析可以看出，TCP客户程序与TCP服务器程序是两个独立的程序，它们可以组合使用从而形成一个“TCP回射客户/服务器程序”。下面我们首先分别写好客户端程序、服务器端程序，并用Socket调试工具，进行调试。调试结束后，组合这两个程序，形成一个客户/服务器程序。

二、示例分析：

在写客户/服务器程序之前，我们先用图来展示一下各个阶段是如何工作的，以及客户、服务器是如何建立连接并传递数据的。

从上到下按照顺序分析客户端应用程序以及服务器段应用程序如下：

1、服务器端调用socket（）函数创建一个套接字，由socket（）函数创建的套接字都是主动套接字，也就是说，即使我们的初衷是在服务器端创建的套接字，但此时内核并不知道我们的意图，此时的套接字仅仅是一个要调用connect（）函数发起连接的客户套接字，那么该如何使它变成一个被动套接字呢？也就是说如何告诉内核应该接受指向该套接字的连接请求呢？必须要经过后面的bind（）函数和listen（）函数。

2、调用完socket（）函数后，TCP此时的状态是CLOSED状态，接下来我们调用bind（）函数，该函数完成对ip地址和端口号的绑定。注意bind函数一般是由服务器调用的，客户端一般不会调用该函数绑定地址，因为对于端口号，内核会自动的帮助客户端确定它的端口号为一个临时端口号；对于IP地址，内核将根据所用外出网络接口来选择源IP地址。

3、服务器端此时调用listen（）函数，它的任务就是将上面步骤1中socket（）函数创建的主动套接字转换为一个被动套接字，指示内核应该接受指定该套接字的连接请求，同时规定了内核应该为相应套接字排队的最大连接数。listen（）函数调用完成之后，TCP状态由CLOSED状态转换到LISTEN状态。

4、服务器端调用accept（）函数，它用于从已完成连接队列对头返回下一个已完成连接。如果已完成连接队列为空，那么进程休眠。注意，accept（）函数的第二三个参数分别用来返回已连接的对端进程（客户）的协议地址和套接字地址结构的长度。如果成功，它的返回值是由内核自动生成的一个全兴描述符，代表与所返回客户的TCP连接。accept（）函数的第一个参数就是socket函数创建的套接字，我们称之为监听套接字，返回值为已连接套接字描述符。

5、因为accept（）函数会使服务器进程阻塞，等待客户端的连接。客户端用socket（）函数创建一个套接字后，接着客户进程调用connect（）函数建立与TCP服务器的连接（注意，客户端没用bind、listen函数）。对于TCP套接字，connect函数会激发TCP的三路握手过程，即，客户端发SYN给服务器，服务器接到后回发SYN和ACK给客户端，客户端接受到服务器的SYN后，回发ACK给服务器端。三路握手完成后，连接建立。此时的客户端与服务器端都处于ESTABLISHED状态。连接建立后，我们就可以通过read和write函数在客户和服务器端进行文本的传送了。

6、当文本发送完毕后，客户给服务器端发送一个FIN结束标志，服务器端接到FIN后给客户端回发一个FIN结束标志，然后客户接到服务器的FIN，在给服务器发送一个确认标志ACK。之后，连接断开。两端的TCP状态都处于CLOSED状态。

三、示例代码及讲解

首先给出客户端的程序并用TCP/UDP Socket调试工具进行调试，并给出结果：

代码：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <netinet/in.h>#include <sys/socket.h>#define MAXLINE 2048intmain(int argc, char **argv){int sockfd;char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];struct sockaddr_incliaddr;sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);/*创建套接字*/if(sockfd < 0){printf("socket function fail.\n");return -1;}bzero(&cliaddr, sizeof(cliaddr));cliaddr.sin_family = AF_INET;cliaddr.sin_port = htons(9877);inet_pton(AF_INET, argv[1], &cliaddr.sin_addr);/*对套接字地址结构进行操作*/connect(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));/*建立连接*/while(fgets(sendline, MAXLINE, stdin) != NULL){write(sockfd, sendline, strlen(sendline));/*利用套接字进行数据发送*/}}

编译该程序：gcc client.c -o client

用调试工具进行调试，用该工具建立TCP服务器，端口号设为9877，然后执行上面生成的可执行程序./client 59.73.166.231（该IP地址，是我电脑的IP地址，Linux的IP地址是59.73.166.32，它会出现在调试工具的客户端地址部分）。并在客户端发送数据，abc，然后就会在调试工具里显示该文本abc,接着发送def,同样会在调试工具里出现def文本。效果如下图所示：

由上面可以看出客户端的端口号是53633，它是由内核自动分配的。

下面给出服务器端的程序如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <netinet/in.h>#include <sys/socket.h>char c[2048];intmain(int argc, char **argv){int n;intsockfd, coundfd;struct sockaddr_in serv, client;socklen_t socklen;/*creat sockfd using the socket function*/sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd == -1){printf("socket function fail.\n");return -1;}/*bind the ip addr and port using the bind function*/bzero(&serv, sizeof(serv));serv.sin_family   = AF_INET;serv.sin_addr.s_addr  = htonl(INADDR_ANY);serv.sin_port  = 9877;if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(struct sockaddr_in))){printf("bind function fail.\n");return -1;}/*listen function*/if(listen(sockfd, 5)){printf("listen function fail.\n");return -1;}/*accept function*/socklen = sizeof(struct sockaddr_in);printf("accept wait \n");coundfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client, &socklen);printf("accept wait \n");while(1){if((n = read(coundfd, c, 2048) > 0)){write(coundfd, c, n);}}}

跟上面的客户端程序一样，也可以进行同样的服务器端程序的测试，此处略去了。

四、完成的TCP回射客户/服务器程序

由于上面的程序是进行的测试，客户端并没有回射部分，下面的代码给出回射部分。

客户程序：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <sys/socket.h>#include <sys/types.h>#include <netinet/in.h>#define MAXLINE 2048#define SERV_PORT 9877void str_cli(FILE *, int);intmain(int argc, char **argv){int sockfd;struct  sockaddr_in cliaddr;if(argc != 2){printf("usage:tcpcli <IPaddress>");return -1;}sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);if(sockfd == -1){printf("socket fail.\n");return -1;}bzero(&cliaddr, sizeof(cliaddr));cliaddr.sin_family = AF_INET;cliaddr.sin_port   = htons(SERV_PORT);if(!(inet_pton(AF_INET, argv[1], &cliaddr.sin_addr))){printf("inet pton fail.\n");return -1;}if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr))){printf("connect fail.\n");return -1;}str_cli(stdin, sockfd);exit(0);}voidstr_cli(FILE *fp, int sockfd){char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];while(fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL){write(sockfd, sendline, strlen(sendline));if(read(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0)printf("str_cli:server terminated prematurely");fputs(recvline, stdout);}}

服务器程序：

#include <stdio.h>#include <errno.h>#include <stdlib.h>#include <strings.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#define SERV_PORT9876#define MAXLINE2048voidstr_echo(int sockfd){ssize_tn;charbuf[MAXLINE];again:while((n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)write(sockfd, buf, n);if(n < 0 && errno == EINTR)goto again;else if(n < 0)printf("str_echo : read error");}intmain(int argc, char **argv){intlistenfd, connfd;pid_tchildpid;socklen_tclilen;structsockaddr_incliaddr, servaddr;listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);if(listenfd == -1){printf("socket fail.\n");return -1;}bzero(&servaddr, sizeof(struct sockaddr_in));servaddr.sin_family  = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port  = htons(SERV_PORT);if(bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr))){printf("bind fail.\n");return -1;}if(listen(listenfd, 5)){printf("listen fail.\n");return -1;}printf("listen stat.\n");for(;;){clilen = sizeof(cliaddr);connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);if(connfd == -1){printf("accept fail.\n");return -1;}printf("accept stat.\n");if((childpid = fork()) == 0){close(listenfd);printf("servers.\n");str_echo(connfd);exit(0);}close(connfd);}return 0;}