TCP/UDP Socket 逻辑架构

TCP/UDP Socket 网络编程的本质是：运行在 Userpace 的 C Application，通过调用 Socket 框架提供的 System Calls 来完成 TCP/UDP 协议的编程。

创建 Socket

获得一个 Socket 文件描述符对象，文件描述符是 Linux 操作文件的句柄。在 Linux 中一切皆文件，Socket 文件描述符对象就是操作 Socket 的句柄。

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

af：AF（Address Family，地址族），IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6，其前缀也可以是 PF（Protocol Family），即PF_INET 和 PF_INET6。
type：数据传输方式，常用的有面向连接（SOCK_STREAM）方式（即 TCP）和无连接（SOCK_DGRAM）的方式（即 UDP）。
protocol：传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。

创建 TCP 套接字：

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

创建 UDP 套接字：

int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

绑定 Socket

将 Socket 与主机中的某个 IP:Port 绑定起来。

int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

sock：Socket 文件描述符。
addr：sockaddr 结构体变量的指针。
addrlen：addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

将创建的套接字 ServerSock 与本地 IP、端口进行绑定：

int ServerSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);struct sockaddr_in ServerSockAddr;
memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr));ServerSockAddr.sin_family = PF_INET;
ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
ServerSockAddr.sin_port = htons(1314); bind(ServerSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR));

其中 struct sockaddr_in 类型的结构体变量用于保存 IPv4 的 IP 信息。

struct in_addr {unsigned long a_addr;
}struct sockaddr_in {unsigned short     sin_family;     // 地址类型（2B）unsigned short int  sin_port;      // 端口号（2B）struct in_addr      sin_addr;       // IP 地址（4B）unsigned char       sin_zero[8];  // 填充空间（8B）
}struct sockaddr {unsigned short  sa_family;    // 地址类型（2B）char            sa_data[14];   // 协议地址（14B）}

先初始化 sockaddr_in，再将它强制转化成 sockaddr 来使用，例如 (SOCKADDR*)&ServerSockAddr，这里涉及到了结构体之间的数据类型转换。这两个结构体，长度都为 16 字节，sockaddr_in.sin_family 的数据存入 sockaddr.sa_family，剩下的 14 个字节存入 sockaddr.sa_data，这样在各种操作中可以方便的处理端口号和 IP 地址。

若是 IPv6，则有对应的结构体：

struct sockaddr_in6
{ sa_family_t sin6_family;    // 地址类型，取值为 AF_INET6in_port_t sin6_port;        // 16 位端口号uint32_t sin6_flowinfo;     // IPv6 流信息struct in6_addr sin6_addr;  // 具体的 IPv6 地址uint32_t sin6_scope_id;     // 接口范围 ID
};

请求建立 Socket 连接

客户端连接到服务端的某个 Socket，所以下述的 struct sockaddr *serv_addr 填充服务端的信息。

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

示例：

int ClientSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
connect(ClientSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR));

监听 Socket

服务端进程监听 Socket 是否有新的，由客户端发起的连接请求。

int listen(int sock, int backlog);

sock：需要进入监听状态的 Socket。
backlog：请求队列的最大长度。

接受请求

服务端接受客户端的连接请求，并返回一个客户端的 Socket 文件描述符，该描述符作为服务端操作对应该客户端的连接的句柄。

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

sock：服务器端套接字。
addr：sockaddr_in 结构体变量。
addrlen：addr 的长度，可由 sizeof() 求得。
返回值：一个新的套接字，用于与客户端进行通信。

示例：

/* 监听客户端请求，accept() 返回一个新的套接字，发送和接收都是用这个套接字 */
int ClientSock = accept(ServerSock, (SOCKADDR*)&ClientAddr, &len);

关闭连接

服务端完成通信任务之后关闭与某个客户端的连接，释放资源。所以 int fd 传入的是某个客户端的 Socket 文件描述符。

int close(int fd);

fd：要关闭的文件描述符。

数据的发送和接收

read()/write()
recv()/send()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()
readv()/writev()

send 发送函数

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

sockfd：要发送数据的套接字。
buf：保存发送数据的缓冲区地址。
len：要发送的数据的字节数。
flags：发送数据时的选项，常设为 0。

recv 接收函数

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

sockfd：要接收数据的套接字。
buf：保存接收数据的缓冲区地址。
len：要接收的数据的字节数。
flags：接收数据时的选项，常设为 0。

sendto 发送函数

ssize_t sendto(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);

sock：用于传输 UDP 数据的套接字；
buf：保存待传输数据的缓冲区地址；
nbytes：带传输数据的长度（以字节计）；
flags：可选项参数，若没有可传递 0；
to：存有目标地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；
addrlen：传递给参数 to 的地址值结构体变量的长度。

recvfrom 接收函数

ssize_t recvfrom(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockadr *from, socklen_t *addrlen);

sock：用于接收 UDP 数据的套接字；
buf：保存接收数据的缓冲区地址；
nbytes：可接收的最大字节数（不能超过 buf 缓冲区的大小）；
flags：可选项参数，若没有可传递 0；
from：存有发送端地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；
addrlen：保存参数 from 的结构体变量长度的变量地址值。

TCP Socket 示例

服务端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>#define BUF_LEN 100    /* Size of buffer. *//* Print exception information. */
#define ERR_MSG(errnum) do { \errnum = errno; \fprintf(stderr, "ERROR num: %d\n", errnum); \perror("PERROR message"); \fprintf(stderr, "STRERROR message: %s\n", strerror(errnum)); \
} while (0)extern int errno;int main(void)
{int server_fd = 0;int client_fd = 0;char buf[BUF_LEN] = {0};int addr_len = 0;int recv_len = 0;int optval = 1;struct sockaddr client_addr;memset(&client_addr, 0, sizeof(struct sockaddr));struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(struct sockaddr));/* 创建 TCP 服务端 Socket 文件描述符。 */if (-1 == (server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP))) {printf("socket ERROR.\n");ERR_MSG(errno);exit(1);}server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   // INADDR_ANY，即 0.0.0.0 表示监听本机所有的 IP 地址，在生产环境中不建议使用。server_addr.sin_port = htons(6666);/* 设置地址和端口号可以重复使用，回避了端口可能冲突的问题，在生产环境中不建议使用。*/if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,&optval, sizeof(optval)) < 0) {printf("setsockopt ERROR.\n");ERR_MSG(errno);exit(1);}if (-1 == (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(struct sockaddr)))) {printf("bind ERROR.\n");ERR_MSG(errno);exit(1);}if (-1 == (listen(server_fd, 10))) {printf("listen ERROR.\n");ERR_MSG(errno);exit(1);}addr_len = sizeof(struct sockaddr);while (1) {/* 监听某个客户端的连接请求，返回客户端 Socket 文件描述符，对该客户端的发送和接收都使用这个套接字。 */if (-1 == (client_fd = (accept(server_fd,(struct sockaddr*)&client_addr,&addr_len)))) {printf("accept ERROR.\n");ERR_MSG(errno);exit(1);}if ((recv_len = recv(client_fd, buf, BUF_LEN, 0)) < 0) {printf("recv ERROR.\n");ERR_MSG(errno);exit(1);}printf("Client sent data %s\n", buf);send(client_fd, buf, recv_len, 0);/* 关闭套接字。 */close(client_fd);memset(buf, 0, BUF_LEN);}return 0;
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>#define BUF_LEN 100    /* Size of buffer. *//* Print exception information. */
#define ERR_MSG(errnum) do { \errnum = errno; \fprintf(stderr, "ERROR num: %d\n", errnum); \perror("PERROR message"); \fprintf(stderr, "STRERROR message: %s\n", strerror(errnum)); \
} while (0)extern int errno;int main(void)
{int client_fd;char buf[BUF_LEN] = {0};struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(struct sockaddr));/* 连接到指定的服务端。 */server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");server_addr.sin_port = htons(6666);while (1) {if (-1 == (client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP))) {printf("socket ERROR.\n");ERR_MSG(errno);exit(1);}/* 向指定的服务端发出连接请求。 */if (-1 == (connect(client_fd, (struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(struct sockaddr)))) {printf("connect ERROR.\n");ERR_MSG(errno);exit(1);}printf("Send to client >");gets(buf);send(client_fd, buf, BUF_LEN, 0);memset(buf, 0, BUF_LEN);recv(client_fd, buf, BUF_LEN, 0);printf("Receive from server: %s\n", buf);memset(buf, 0, BUF_LEN);close(client_fd);}return 0;
}

编译：

gcc tcp_server.c -o tcp_server
gcc tcp_client.c -o tcp_client

运行：

先启动 TCP Server：

# ./tcp_server

查看监听 Socket 是否绑定成功：

$ netstat -lpntu | grep 6666
tcp        0      0 0.0.0.0:6666            0.0.0.0:*               LISTEN      28675/./tcp_server

启动 TCP Client

# ./tcp_client

UDP Socket 示例

服务端

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>#define BUF_LEN  100int main(void)
{int ServerFd;char Buf[BUF_LEN] = {0};struct sockaddr ClientAddr;struct sockaddr_in ServerSockAddr;int addr_size = 0; int optval = 1; /* 创建 UDP 服务端 Socket */if ( -1 == (ServerFd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP))){printf("socket error!\n");exit(1);}/* 设置服务端信息 */memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr));  // 给结构体ServerSockAddr清零ServerSockAddr.sin_family = AF_INET;                    // 使用IPv4地址ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);     // 自动获取IP地址ServerSockAddr.sin_port = htons(1314);                  // 端口// 设置地址和端口号可以重复使用  if (setsockopt(ServerFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)) < 0){printf("setsockopt error!\n");exit(1);}/* 绑定操作，绑定前加上上面的socket属性可重复使用地址 */if (-1 == bind(ServerFd, (struct sockaddr*)&ServerSockAddr, sizeof(ServerSockAddr))){printf("bind error!\n");exit(1);}addr_size = sizeof(ClientAddr);while (1){/* 接受客户端的返回数据 */int str_len = recvfrom(ServerFd, Buf, BUF_LEN, 0, &ClientAddr, &addr_size);printf("客户端发送过来的数据为：%s\n", Buf);/* 发送数据到客户端 */sendto(ServerFd, Buf, str_len, 0, &ClientAddr, addr_size);/* 清空缓冲区 */memset(Buf, 0, BUF_LEN);  }close(ServerFd);return 0;
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_LEN  100int main(void)
{int ClientFd;char Buf[BUF_LEN] = {0};struct sockaddr ServerAddr;int addr_size = 0;struct sockaddr_in  ServerSockAddr;/* 创建客户端socket */if (-1 == (ClientFd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP))){printf("socket error!\n");exit(1);}/* 向服务器发起请求 */memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr));  ServerSockAddr.sin_family = PF_INET;ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");ServerSockAddr.sin_port = htons(1314);addr_size = sizeof(ServerAddr);while (1){printf("请输入一个字符串，发送给服务端：");gets(Buf);/* 发送数据到服务端 */sendto(ClientFd, Buf, strlen(Buf), 0, (struct sockaddr*)&ServerSockAddr, sizeof(ServerSockAddr));/* 接受服务端的返回数据 */recvfrom(ClientFd, Buf, BUF_LEN, 0, &ServerAddr, &addr_size);printf("服务端发送过来的数据为：%s\n", Buf);memset(Buf, 0, BUF_LEN);   // 重置缓冲区}close(ClientFd);   // 关闭套接字return 0;
}

运行：

$ netstat -lpntu | grep 1314
udp        0      0 0.0.0.0:1314            0.0.0.0:*                           29729/./udp_server

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