LinuxSocket编程简介和实现-创新互联

在 TCP/IP 协议中，"IP地址 + TCP或UDP端口号" 可以唯一标识网络通讯中的一个进程，"IP地址+端口号" 就称为 socket。本文以一个简单的 TCP 协议为例，介绍如何创建基于 TCP 协议的网络程序。

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TCP 协议通讯流程

下图描述了 TCP 协议的通讯流程(此图来自互联网)：

下图则描述 TCP 建立连接的过程(此图来自互联网)：

服务器调用 socket()、bind()、listen() 函数完成初始化后，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。

TCP 连接建立后数据传输的过程：

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。

下图描述了关闭 TCP 连接的过程：

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 编程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

下面通过一个简单的 TCP 网络程序来理解相关概念。程序分为服务器端和客户端两部分，它们之间通过 socket 进行通信。

服务器端程序

下面是一个非常简单的服务器端程序，它从客户端读字符，然后将每个字符转换为大写并回送给客户端：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000

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;

  // 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。
  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() 的作用是将参数 listenfd 和 servaddr 绑定在一起，
  // 使 listenfd 这个用于网络通讯的文件描述符监听 servaddr 所描述的地址和端口号。
  bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

  // listen() 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(listenfd, 20);

  printf("Accepting connections ...\n");
  while (1)
  {
    cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
    // 典型的服务器程序可以同时服务于多个客户端，
    // 当有客户端发起连接时，服务器调用的 accept() 返回并接受这个连接，
    // 如果有大量的客户端发起连接而服务器来不及处理，尚未 accept 的客户端就处于连接等待状态。
    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);
  }
}

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