各位兄弟,网络编程之前,最好先学习计算机网络基础知识,至少您要知道计算机网络是怎么回事,知道ip地址和通信端口等基本概念。

一、网络通信socket

socket就是插座(中文翻译成套接字有点莫名其妙),运行在计算机中的两个程序通过socket建立起一个通道,数据在通道中传输。

     image.png

socket把复杂的TCP/IP协议族隐藏了起来,对程序员来说,只要用好socket相关的函数,就可以完成网络通信。

二、socket的分类

socket提供了流(stream)和数据报(datagram)两种通信机制,即流socket和数据报socket。

流socket基于TCP协议,是一个有序、可靠、双向字节流的通道,传输数据不会丢失、不会重复、顺序也不会错乱。就像两个人在打电话,接通后就在线了,您一句我一句的聊天。

数据报socket基于UDP协议,不需要建立和维持连接,可能会丢失或错乱。UDP不是一个可靠的协议,对数据的长度有限制,但是它的速度比较高。就像短信功能,一个人向另一个人发短信,对方不一定能收到。

在实际开发中,数据报socket的应用场景极少,本教程只介绍流socket。

三、客户/服务端模式

在TCP/IP网络应用中,两个程序之间通信模式是客户/服务端模式(client/server),客户/服务端也叫作客户/服务器,各人习惯。

image.png

1、服务端的工作流程

1)创建服务端的socket。

2)把服务端用于通信的地址和端口绑定到socket上。

3)把socket设置为监听模式。

4)接受客户端的连接。

5)与客户端通信,接收客户端发过来的报文后,回复处理结果。

6)不断的重复第5)步,直到客户端断开连接。

7)关闭socket,释放资源。

服务端示例(server.cpp)

/*
 * 程序名:server.cpp,此程序用于演示socket通信的服务端
 * 作者:C语言技术网(www.freecplus.net) 日期:20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
 
int main(int argc,char *argv[])
{
  if (argc!=2)
  {
    printf("Using:./server port\nExample:./server 5005\n\n"); return -1;
  }
 
  // 第1步:创建服务端的socket。
  int listenfd;
  if ( (listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) { perror("socket"); return -1; }
 
  // 第2步:把服务端用于通信的地址和端口绑定到socket上。
  struct sockaddr_in servaddr;    // 服务端地址信息的数据结构。
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;  // 协议族,在socket编程中只能是AF_INET。
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);          // 任意ip地址。
  //servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.190.134"); // 指定ip地址。
  servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));  // 指定通信端口。
  if (bind(listenfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0 )
  { perror("bind"); close(listenfd); return -1; }
 
  // 第3步:把socket设置为监听模式。
  if (listen(listenfd,5) != 0 ) { perror("listen"); close(listenfd); return -1; }
 
  // 第4步:接受客户端的连接。
  int  clientfd;                  // 客户端的socket。
  int  socklen=sizeof(struct sockaddr_in); // struct sockaddr_in的大小
  struct sockaddr_in clientaddr;  // 客户端的地址信息。
  clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr *)&clientaddr,(socklen_t*)&socklen);
  printf("客户端(%s)已连接。\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr));
 
  // 第5步:与客户端通信,接收客户端发过来的报文后,回复ok。
  char buffer[1024];
  while (1)
  {
    int iret;
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    if ( (iret=recv(clientfd,buffer,sizeof(buffer),0))<=0) // 接收客户端的请求报文。
    {
       printf("iret=%d\n",iret); break;  
    }
    printf("接收:%s\n",buffer);
 
    strcpy(buffer,"ok");
    if ( (iret=send(clientfd,buffer,strlen(buffer),0))<=0) // 向客户端发送响应结果。
    { perror("send"); break; }
    printf("发送:%s\n",buffer);
  }
 
  // 第6步:关闭socket,释放资源。
  close(listenfd); close(clientfd);
}

2、客户端的工作流程

1)创建客户端的socket。

2)向服务器发起连接请求。

3)与服务端通信,发送一个报文后等待回复,然后再发下一个报文。

4)不断的重复第3)步,直到全部的数据被发送完。

5)第4步:关闭socket,释放资源。

客户端示例(client.cpp)

/*
 * 程序名:client.cpp,此程序用于演示socket的客户端
 * 作者:C语言技术网(www.freecplus.net) 日期:20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
 
int main(int argc,char *argv[])
{
  if (argc!=3)
  {
    printf("Using:./client ip port\nExample:./client 127.0.0.1 5005\n\n"); return -1;
  }
 
  // 第1步:创建客户端的socket。
  int sockfd;
  if ( (sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) { perror("socket"); return -1; }
 
  // 第2步:向服务器发起连接请求。
  struct hostent* h;
  if ( (h = gethostbyname(argv[1])) == 0 )   // 指定服务端的ip地址。
  { printf("gethostbyname failed.\n"); close(sockfd); return -1; }
  struct sockaddr_in servaddr;
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); // 指定服务端的通信端口。
  memcpy(&servaddr.sin_addr,h->h_addr,h->h_length);
  if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0)  // 向服务端发起连接清求。
  { perror("connect"); close(sockfd); return -1; }
 
  char buffer[1024];
 
  // 第3步:与服务端通信,发送一个报文后等待回复,然后再发下一个报文。
  for (int ii=0;ii<3;ii++)
  {
    int iret;
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    sprintf(buffer,"这是第%d个超级女生,编号%03d。",ii+1,ii+1);
    if ( (iret=send(sockfd,buffer,strlen(buffer),0))<=0) // 向服务端发送请求报文。
    { perror("send"); break; }
    printf("发送:%s\n",buffer);
 
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    if ( (iret=recv(sockfd,buffer,sizeof(buffer),0))<=0) // 接收服务端的回应报文。
    {
       printf("iret=%d\n",iret); break;
    }
    printf("接收:%s\n",buffer);
  }
 
  // 第4步:关闭socket,释放资源。
  close(sockfd);
}

在运行程序之前,必须保证服务器的防火墙已经开通了网络访问策略(云服务器还需要登录云控制平台开通访问策略)。

先启动服务端程序server,服务端启动后,进入等待客户端连接状态,然后启动客户端。

客户端的输出如下:

image.png

服务端的输出如下:

image.png

四、注意事项

在socket通信的客户端和服务器的程序里,出现了多种数据结构,调用了多个函数,涉及到很多方面的知识,对初学者来说,更重要的是了解socket通信的过程、每段代码的用途和函数调用的功能,不要去纠缠这些结构体和函数的参数,这些函数和参数虽然比较多,但可以修改的非常少,别抄错就可以了,需要注意的地方我会提出。

1、socket文件描述符

在UNIX系统中,一切输入输出设备皆文件,socket()函数的返回值其本质是一个文件描述符,是一个整数。

2、服务端程序绑定地址

如果服务器有多个网卡,多个IP地址,socket通信可以指定用其中一个地址来进行通信,也可以任意ip地址。

1)指定ip地址的代码

  m_servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.149.129");  // 指定ip地址

2)任意ip地址的代码

  m_servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 本主机的任意ip地址

在实际开发中,采用任意ip地址的方式比较多。

3、服务端程序绑定的通信端口

  m_servaddr.sin_port = htons(5000);  // 通信端口

4、客户端程序指定服务端的ip地址

  struct hostent* h;
  if ( (h = gethostbyname("118.89.50.198")) == 0 )   // 指定服务端的ip地址。
  { printf("gethostbyname failed.\n"); close(sockfd); return -1; }

5、客户端程序指定服务端的通信端口

  servaddr.sin_port = htons(5000);

6、send函数

send函数用于把数据通过socket发送给对端。不论是客户端还是服务端,应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据。

函数声明:

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

sockfd为已建立好连接的socket。

buf为需要发送的数据的内存地址,可以是C语言基本数据类型变量的地址,也可以数组、结构体、字符串,内存中有什么就发送什么。

len需要发送的数据的长度,为buf中有效数据的长度。

flags填0, 其他数值意义不大。

函数返回已发送的字符数。出错时返回-1,错误信息errno被标记。

注意,就算是网络断开,或socket已被对端关闭,send函数不会立即报错,要过几秒才会报错。

如果send函数返回的错误(<=0),表示通信链路已不可用。

7、recv函数

recv函数用于接收对端socket发送过来的数据。

recv函数用于接收对端通过socket发送过来的数据。不论是客户端还是服务端,应用程序都用recv函数接收来自TCP连接的另一端发送过来数据。

函数声明:

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

sockfd为已建立好连接的socket。

buf为用于接收数据的内存地址,可以是C语言基本数据类型变量的地址,也可以数组、结构体、字符串,只要是一块内存就行了。

len需要接收数据的长度,不能超过buf的大小,否则内存溢出。

flags填0, 其他数值意义不大。

函数返回已接收的字符数。出错时返回-1,失败时不会设置errno的值。

如果socket的对端没有发送数据,recv函数就会等待,如果对端发送了数据,函数返回接收到的字符数。出错时返回-1。如果socket被对端关闭,返回值为0。

如果recv函数返回的错误(<=0),表示通信通道已不可用。

8、服务端有两个socket

对服务端来说,有两个socket,一个是用于监听的socket,还有一个就是客户端连接成功后,由accept函数创建的用于与客户端收发报文的socket。

9、程序退出时先关闭socket

socket是系统资源,操作系统打开的socket数量是有限的,在程序退出之前必须关闭已打开的socket,就像关闭文件指针一样,就像delete已分配的内存一样,极其重要。

值得注意的是,关闭socket的代码不能只在main函数的最后,那是程序运行的理想状态,还应该在main函数的每个return之前关闭。

五、相关的库函数

1、socket函数

socket函数用于创建一个新的socket,也就是向系统申请一个socket资源。socket函数用户客户端和服务端。

函数声明:

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

参数说明:

domain:协议域,又称协议族(family)。常用的协议族有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL(或称AF_UNIX,Unix域Socket)、AF_ROUTE等。协议族决定了socket的地址类型,在通信中必须采用对应的地址,如AF_INET决定了要用ipv4地址(32位的)与端口号(16位的)的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。

type:指定socket类型。常用的socket类型有SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等。流式socket(SOCK_STREAM)是一种面向连接的socket,针对于面向连接的TCP服务应用。数据报式socket(SOCK_DGRAM)是一种无连接的socket,对应于无连接的UDP服务应用。

protocol:指定协议。常用协议有IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_STCP、IPPROTO_TIPC等,分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。

说了一大堆废话,第一个参数只能填AF_INET,第二个参数只能填SOCK_STREAM,第三个参数只能填0。

除非系统资料耗尽,socket函数一般不会返回失败。

返回值:成功则返回一个socket,失败返回-1,错误原因存于errno 中。

2、gethostbyname函数

把ip地址或域名转换为hostent 结构体表达的地址。

函数声明:

struct hostent *gethostbyname(const char *name);

参数name,域名或者主机名,例如"192.168.1.3"、"www.freecplus.net"等。

返回值:如果成功,返回一个hostent结构指针,失败返回NULL。

gethostbyname只用于客户端。

gethostbyname只是把字符串的ip地址转换为结构体的ip地址,只要地址格式没错,一般不会返回错误。失败时不会设置errno的值。

3、connect函数

向服务器发起连接请求。

函数声明:

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr, int addrlen);

函数说明:connect函数用于将参数sockfd 的socket 连至参数serv_addr 指定的服务端,参数addrlen为sockaddr的结构长度。

返回值:成功则返回0,失败返回-1,错误原因存于errno 中。

connect函数只用于客户端。

如果服务端的地址错了,或端口错了,或服务端没有启动,connect一定会失败。

4、bind函数

服务端把用于通信的地址和端口绑定到socket上。

函数声明:

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

参数sockfd,需要绑定的socket。

参数addr,存放了服务端用于通信的地址和端口。

参数addrlen表示addr结构体的大小。

返回值:成功则返回0,失败返回-1,错误原因存于errno 中。

如果绑定的地址错误,或端口已被占用,bind函数一定会报错,否则一般不会返回错误。

5、listen函数

listen函数把主动连接socket变为被动连接的socket,使得这个socket可以接受其它socket的连接请求,从而成为一个服务端的socket。

函数声明:

int listen(int sockfd, int backlog);

返回:0-成功, -1-失败

 参数sockfd是已经被bind过的socket。socket函数返回的socket是一个主动连接的socket,在服务端的编程中,程序员希望这个socket可以接受外来的连接请求,也就是被动等待客户端来连接。由于系统默认时认为一个socket是主动连接的,所以需要通过某种方式来告诉系统,程序员通过调用listen函数来完成这件事。

参数backlog,这个参数涉及到一些网络的细节,比较麻烦,填5、10都行,一般不超过30。

 当调用listen之后,服务端的socket就可以调用accept来接受客户端的连接请求。

返回值:成功则返回0,失败返回-1,错误原因存于errno 中。

listen函数一般不会返回错误。

6、accept函数

服务端接受客户端的连接。

函数声明:

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

参数sockfd是已经被listen过的socket。

参数addr用于存放客户端的地址信息,用sockaddr结构体表达,如果不需要客户端的地址,可以填0。

参数addrlen用于存放addr参数的长度,如果addr为0,addrlen也填0。

accept函数等待客户端的连接,如果没有客户端连上来,它就一直等待,这种方式称之为阻塞。

accept等待到客户端的连接后,创建一个新的socket,函数返回值就是这个新的socket,服务端使用这个新的socket和客户端进行报文的收发。

返回值:成功则返回0,失败返回-1,错误原因存于errno 中。

accept在等待的过程中,如果被中断或其它的原因,函数返回-1,表示失败,如果失败,可以重新accept。

7、函数小结

服务端函数调用的流程是:socket->bind->listen->accept->recv/send->close

客户端函数调用的流程是:socket->connect->send/recv->close

其中send/recv可以进行多次交互。

六、课后作业

1)把client.cpp和server.cpp抄下来,编译运行,试试修改参数再运行。

2)client.cpp和server.cpp程序中,有些代码不能动,有些代码可以动,把能动的都动一下,就算是抄代码,也要抄个明白。

3)服务端的accept函数会阻塞,阻塞是专业名词,即等待,可以用代码测试一下。

4)不管是服务端还是客户端recv函数也会阻塞,可以用代码测试一下。

5)修改client.cpp和server.cpp,实现点对点的聊天功能,用户在客户端输入一个字符串,然后发送给服务端,服务端收到客户端的报文后,也提示用户输入一个字符串,返回给客户端,如果服务端收到客户端的报文是“bye”通信结束。

6)如果以上作业都能完成,建议再把本文章的内容再看一次,对文章开始部分的理论知识将有新的理解。

七、版权声明

C语言技术网原创文章,转载请说明文章的来源、作者和原文的链接。

来源:C语言技术网(www.freecplus.net

作者:码农有道


C语言技术网(www.freecplus.net),粤ICP备19156379号

友情链接: 猿说编程    程序分享   

点击关闭