Linux网络编程一站式学习

提要

      学过很多遍计算机网络，依然不会网络编程。

      看完这篇文章之后就不会是这样了。

       环境：Ubuntu14.04 64bit

何为Socket

是基于TCP/IP的网络应用编程中使用的有关数据通信的概念，通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。在Internet上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。Socket正如其英文原意那样，像一个多孔插座。一台主机犹如布满各种插座的房间，每个插座有一个编号，有的插座提供220伏交流电， 有的提供110伏交流电，有的则提供有线电视节目。 客户软件将插头插到不同编号的插座，就可以得到不同的服务。

基于TCP协议的网络程序

下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程：

借助这个图，我们可以很清晰地把socket的一些接口和TCP/IP中服务器和客户端状态转换的对应关系。

准备状态

服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后，调用accept()阻塞等待，处于监听端口的状态，客户端调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK段，服务器收到后从accept()返回。

数据传输的过程

建立连接后，TCP协议提供全双工的通信服务，但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主动发起请求，服务器被动处理请求，一问一答的方式。因此，服务器从accept()返回后立刻调用read()，读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待，这时客户端调用write()发送请求给服务器，服务器收到后从read()返回，对客户端的请求进行处理，在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答，服务器调用write()将处理结果发回给客户端，再次调用read()阻塞等待下一条请求，客户端收到后从read()返回，发送下一条请求，如此循环下去。

如果客户端没有更多的请求了，就调用close()关闭连接，就像写端关闭的管道一样，服务器的read()返回0，这样服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close()关闭连接。注意，任何一方调用close()后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。如果一方调用shutdown()则连接处于半关闭状态，仍可接收对方发来的数据。

在学习socket API时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的： *应用程序调用某个socket函数时TCP协议层完成什么动作，比如调用connect()会发出SYN段 *应用程序如何知道TCP协议层的状态变化，比如从某个阻塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段，再比如read()返回0就表明收到了FIN段。

码砖开始

先跑代码再解释。

服务端，server.c

/* server.c */#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <ctype.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 8000int main(void){struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;socklen_t cliaddr_len;int listenfd, connfd;char buf[MAXLINE];char str[INET_ADDRSTRLEN];int i, n;listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);    bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));listen(listenfd, 20);printf("Accepting connections ...\n");while (1) {cliaddr_len = sizeof(cliaddr);connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);  n = read(connfd, buf, MAXLINE);printf("received from %s at PORT %d\n",       inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),       ntohs(cliaddr.sin_port));    for (i = 0; i < n; i++)buf[i] = toupper(buf[i]);write(connfd, buf, n);close(connfd);}}

客户端，client.c

/* client.c */#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 8000int main(int argc, char *argv[]){struct sockaddr_in servaddr;char buf[MAXLINE];int sockfd, n;char *str;    if (argc != 2) {fputs("usage: ./client message\n", stderr);exit(1);}str = argv[1];    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);    connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));write(sockfd, str, strlen(str));n = read(sockfd, buf, MAXLINE);printf("Response from server:\n");write(STDOUT_FILENO, buf, n);close(sockfd);return 0;}

编译

gcc client.c -o clientgcc server.c -o server

运行结果

从头文件开始解释

unistd.h - unistd.h 中所定义的接口通常都是大量针对系统调用的封装（英语：wrapper functions），如 fork、pipe 以及各种 I/O 原语（read、write、close 等等）。 
 sys/socket.h - 提供 socket 函数及数据结构 .
netinet/in.h - 定义数据结构sockaddr_in,包含IPv4和IPv6的地址格式定义。
arpa/inet.h - 提供IP地址转换函数，比如大小端的转换，还有ip地址的表达方式的转换。

看server的main函数。

16行,声明两个socketaddr_in结构体。IPv4地址用sockaddr_in结构体表示，包括16位端口号和32位IP地址.IPv6地址用sockaddr_in6结构体表示，包括16位端口号、128位IP地址和一些控制字段。

17行，声明一个记录客户端地址长度的变量，socklen_t就是socket中用来表示长度的类型。Linus Torvalds(他希望有更多的人,但显然不是很多) 努力向他们解释使用size_t是完全错误的,因为在64位结构中 size_t和int的长度是不一样的,而这个参数(也就是accept函数 的第三参数)的长度必须和int一致,因为这是BSD套接字接口 标准.最终POSIX的那帮家伙找到了解决的办法,那就是创造了 一个新的类型"socklen_t". 

23行，打开一个网络通信端口，函数原型是：

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

socket()打开一个网络通讯端口，如果成功的话，就像open()一样返回一个文件描述符，应用程序可以像读写文件一样用read/write在网络上收发数据，如果socket()调用出错则返回-1。对于IPv4，family参数指定为AF_INET。对于TCP协议，type参数指定为SOCK_STREAM，表示面向流的传输协议。

25-28行，首先将整个结构体清零，然后设置地址类型为AF_INET，网络地址为INADDR_ANY，这个宏表示本地的任意IP地址，因为服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能绑定多个IP地址，这样设置可以在所有的IP地址上监听，直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个IP地址，端口号为SERV_PORT，我们定义为8000。

30行，调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号。bind()成功返回0，失败返回-1。函数原型：

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

bind()的作用是将参数sockfd和myaddr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听myaddr所描述的地址和端口号。

32行，声明listenfd处于监听状态，并且最多允许有20个客户端处于连接待状态，如果接收到更多的连接请求就忽略。listen()成功返回0，失败返回-1。

25-49行，整个是一个while死循环，每次循环处理一个客户端连接。由于cliaddr_len是传入传出参数，每次调用accept()之前应该重新赋初值。accept()的参数listenfd是先前的监听文件描述符，而accept()的返回值是另外一个文件描述符connfd，之后与客户端之间就通过这个connfd通讯，最后关闭connfd断开连接，而不关闭listenfd，再次回到循环开头listenfd仍然用作accept的参数。accept()成功返回一个文件描述符，出错返回-1。

客户端少了bind，多了个connect函数。由于客户端不需要固定的端口号，因此不必调用bind()，客户端的端口号由内核自动分配。注意，客户端不是不允许调用bind()，只是没有必要调用bind()固定一个端口号，服务器也不是必须调用bind()，但如果服务器不调用bind()，内核会自动给服务器分配监听端口，每次启动服务器时端口号都不一样，客户端要连接服务器就会遇到麻烦。connect函数原型：

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

客户端需要调用connect()连接服务器，connect和bind的参数形式一致，区别在于bind的参数是自己的地址，而connect的参数是对方的地址。connect()成功返回0，出错返回-1。

小小的封装一下

代码虽然可以work，但是看着着实有点蛋疼,而且整个代码有流程的报错，出错了也很难处理，首先是把socket的相关函数封装一遍，

wrap.h

#include <stdlib.h>#include <sys/socket.h>#include <errno.h>//Print error message and exit.void perr_exit(const char *s);//Server accept message from client.int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr);void Bind(int fd, const struct  sockaddr *sa, socklen_t salen);void Connect(int fd, const struct  sockaddr *sa, socklen_t salen);void Listen(int fd, int backlog);int Socket(int family, int type, int protocol);ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes);ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n);ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes);ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n);static ssize_t my_read(int fd, char *ptr);ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen);void Close(int fd);

wrap.c

#include "wrap.h"//Print error message and exitvoid perr_exit(const char *s){perror(s);exit(1);}//Server accept message from client.int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr){int n;again:if((n = accept(fd, sa, salenptr)) < 0){if((errno == ECONNABORTED) || (errno == EINTR))goto again;elseperr_exit("accept error");}return n;}void Bind(int fd, const struct  sockaddr *sa, socklen_t salen){if(bind(fd, sa, salen) < 0){perr_exit("bind error");}}void Connect(int fd, const struct  sockaddr *sa, socklen_t salen){if(connect(fd, sa, salen) < 0){perr_exit("connet error");}}void Listen(int fd, int backlog){if(listen(fd, backlog) < 0){perr_exit("listen error");}}int Socket(int family, int type, int protocol){int n;if((n = socket(family, type, protocol)) < 0)perr_exit("socket error");return n;}ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes){ssize_t n;again:if((n = read(fd, ptr, nbytes)) == -1){if(errno == EINTR)goto again;elsereturn -1;}return n;}ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n){size_t  nleft;ssize_t nread;char   *ptr;ptr = vptr;nleft = n;while (nleft > 0) {if ( (nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {if (errno == EINTR)nread = 0;elsereturn -1;} else if (nread == 0)break;nleft -= nread;ptr += nread;}return n - nleft;}ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes){ssize_t n;again:if((n = write(fd, ptr, nbytes)) == -1){if(errno == EINTR)goto again;elsereturn -1;}return n;}ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n){size_t nleft;ssize_t nwritten;const char *ptr;ptr = vptr;nleft = n;while(nleft > 0){if((nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0){if(nwritten < 0 && errno == EINTR){nwritten = 0;}else{return -1;}}nleft -= nwritten;ptr += nwritten;}return n;}static ssize_t my_read(int fd, char *ptr){static int read_cnt;static char *read_ptr;static char read_buf[100];if (read_cnt <= 0) {again:if ( (read_cnt = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) < 0) {if (errno == EINTR)goto again;return -1;} else if (read_cnt == 0)return 0;read_ptr = read_buf;}read_cnt--;*ptr = *read_ptr++;return 1;}ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen){ssize_t n, rc;char    c, *ptr;ptr = vptr;for (n = 1; n < maxlen; n++) {if ( (rc = my_read(fd, &c)) == 1) {*ptr++ = c;if (c  == '\n')break;} else if (rc == 0) {*ptr = 0;return n - 1;} elsereturn -1;}*ptr  = 0;return n;}void Close(int fd){if(close(fd) == -1){perr_exit("close error");}}

这里的错误处理主要使用了erron和perr函数。

当linux中的C api函数发生异常时,一般会将errno变量(需include errno.h)赋一个整数值,不同的值表示不同的含义,可以通过查看该值推测出错的原因，在实际编程中用这一招解决了不少原本看来莫名其妙的问题。但是errno是一个数字，代表的具体含义还要到errno.h中去阅读宏定义，而每次查阅是一件很繁琐的事情。有下面几种方法可以方便的得到错误信息

(1)void perror(const char *s)
函数说明
perror ( )用来将上一个函数发生错误的原因输出到标准错误(stderr),参数s 所指的字符串会先打印出,后面再加上错误原因 字符串。此错误原因依照全局变量
errno 的值来决定要输出的字符串。

(2) char *strerror(int errno)
将错误代码转换为字符串错误信息,可以将该字符串和其它的信息组合输出到用户界面例如
fprintf(stderr,"error in CreateProcess %s, Process ID %d
",strerror(errno),processID)
注：假设processID是一个已经获取了的整形ID

(3)printf("%m", errno);
另外不是所有的地方发生错误的时候都可以通过error获取错误代码，例如下面的代码段

将client改成连接成功后可以多次发送消息的模式。

client.c

/* client.c */#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 8000int main(int argc, char *argv[]){struct sockaddr_in servaddr;char buf[MAXLINE];int sockfd, n;char *str;    sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);    Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));while(fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL){Write(sockfd, buf, strlen(buf));n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);if(n == 0){printf("The other side has been closed.\n");}else{Write(STDOUT_FILENO, buf, n);}}Close(sockfd);return 0;}

sever.c也要做一点修改，使它可以多次处理同一客户端的请求。

/* server.c */#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 8000int main(void){struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;socklen_t cliaddr_len;int listenfd, connfd;char buf[MAXLINE];char str[INET_ADDRSTRLEN];int i, n;listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);    Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));Listen(listenfd, 20);printf("Accepting connections ...\n");while (1) {cliaddr_len = sizeof(cliaddr);connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);while(1){n = Read(connfd, buf, MAXLINE);if(n == 0){printf("The other side has been closed!\n" );break;}printf("received from %s at PORT %d\n",       inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),       ntohs(cliaddr.sin_port));    for (i = 0; i < n; i++)buf[i] = toupper(buf[i]);Write(connfd, buf, n);}Close(connfd);}}

运行结果

小作业 - 简单的Web服务器

先按下面的步骤做：

1.终端输入ifconfig,查看自己的ip地址；

2.运行上面编译好的server程序；

3.在浏览器的地址栏里面输入：X.X.X.X:80

（X.X.X.X是你的ip地址）

得到浏览器的运行结果是

这就是一个简单的http请求。

在这个通信过程中，服务器就是我们的server程序，浏览器就是client。server启动之后，就开始监听对应的端口，这时在浏览器中输入本机的ip和端口，这时浏览器向服务器发送的HTTP协议头，server中的处理就是将所有字母都改成大写，然后再write回socket，client最后得到的就是toupper的请求信息。

我们实现的Web服务器只要能正确解析第一行就行了，这是一个GET请求，请求的是服务目录的根目录/（在本例中实际上是/var/www），Web服务器应该把该目录下的索引页（默认是index.html）发给浏览器，也就是把/var/www/index.html发给浏览器。假如该文件的内容如下（HTML文件没必要以"\r\n"换行，以"\n"换行就可以了）。简单的index.html

<html><head><title>Test Page</title></head><body><p>Hello,Server.</p></body></html>

则server返回的数据就是

HTTP/1.1 200 OKContent-Type: text/html<html><head><title>Test Page</title></head><body><p>Test OK</p></body></html>

服务器应答的HTTP头也是每行末尾以回车加换行结束，最后跟一个空行的回车加换行。

HTTP头的第一行是协议版本和应答码，200表示成功，后面的消息OK其实可以随意写，浏览器是不关心的，主要是为了调试时给开发人员看的。虽然网络协议最终是程序与程序之间的对话，但是在开发过程中却是人与程序之间的对话，一个设计透明的网络协议可以提供很多直观的信息给开发人员，因此，很多应用层网络协议，如HTTP、FTP、SMTP、POP3等都是基于文本的协议，为的是透明性（transparency）。

HTTP头的第二行表示即将发送的文件的类型（称为MIME类型），这里是text/html，纯文本文件是text/plain，图片则是image/jpg、image/png等。

然后就发送文件的内容，发送完毕之后主动关闭连接，这样浏览器就知道文件发送完了。这一点比较特殊：通常网络通信都是客户端主动发起连接，主动发起请求，主动关闭连接，服务器只是被动地处理各种情况，而HTTP协议规定服务器主动关闭连接（有些Web服务器可以配置成Keep-Alive的，我们不讨论这种情况）。

最终实现的server代码如下

/* server.c */#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <fcntl.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include "wrap.h"#define MAXLINE 80void loadConfig(int *port, char *path);int main(void){struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;socklen_t cliaddr_len;int listenfd, connfd;char buf[MAXLINE];char str[INET_ADDRSTRLEN];int i, n;int pd_index,ret;int port;char *path = NULL;loadConfig(&port, path);listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);int opt=1; setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(port);    Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));Listen(listenfd, 20);printf("Accepting connections ...\n");while (1) {cliaddr_len = sizeof(cliaddr);connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);while(1){n = Read(connfd, buf, MAXLINE);if(n == 0){printf("The other side has been closed!\n" );break;}printf("received from %s at PORT %d\n",       inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),       ntohs(cliaddr.sin_port));i=0;   char title[15];   while(buf[i]!='\r')   {    title[i]=buf[i];    i++;   }title[i]='\0';   if(0 == (strcmp(title,"GET / HTTP/1.1")))   {    bzero(buf,MAXLINE);     strcpy(buf,"HTTP/1.1 200 0K\r\n");    write(connfd,buf,strlen(buf));    bzero(buf,MAXLINE);    strcpy(buf,"Conent_Type: text/html\r\n");    write(connfd,buf,strlen(buf));    bzero(buf,MAXLINE);    buf[0]='\r';    buf[1]='\n';    write(connfd,buf,2);    pd_index=open("/var/www/index.html",O_RDONLY);    if(pd_index<0)    {    perr_exit("open file failed.\n");    }    bzero(buf,MAXLINE);    while((ret=read(pd_index,buf,MAXLINE))>0)    {     write(connfd,buf,ret);     printf("send index data...\n");     bzero(buf,MAXLINE);}}}Close(connfd);}}void loadConfig(int *port, char *path){FILE *fd;fd = fopen("/etc/myhttpd.conf", "r");if(fd < 0)perr_exit("Can't load config.\n");fscanf(fd, "Port=%d\nDirectory=%s",port, path);}

最终运行结果

参考

Linux C编程一站式学习 - http://c4linux.letaoba.info/

在Ubuntu下实现一个简单的Web服务器 - http://www.linuxidc.com/Linux/2013-10/91160.htm