Linux网络编程一站式学习

提要

学过非常多遍计算机网络，依旧不会网络编程。

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"，用于描写叙述IP地址和port，是一个通信链的句柄。在Internet上的主机一般执行了多个服务软件，同一时候提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个port上，不同的port相应于不同的服务。Socket正如其英文原意那样，像一个多孔插座。一台主机宛如布满各种插座的房间，每一个插座有一个编号，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，就能够得到不同的服务。

基于TCP协议的网络程序

下图是基于TCP协议的client/server程序的一般流程：

借助这个图，我们能够非常清晰地把socket的一些接口和TCP/IP中server和client状态转换的相应关系。

准备状态

server调用socket()、bind()、listen()完毕初始化后，调用accept()堵塞等待，处于监听port的状态，client调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并堵塞等待server应答，server应答一个SYN-ACK段，client收到后从connect()返回，同一时候应答一个ACK段，server收到后从accept()返回。

传输数据的过程

建立连接后，TCP协议提供全双工的通信服务，可是一般的client/server程序的流程是由client主动发起请求，server被动处理请求，一问一答的方式。因此，server从accept()返回后立马调用read()，读socket就像读管道一样，假设没有数据到达就堵塞等待，这时client调用write()发送请求给server，server收到后从read()返回，对client的请求进行处理，在此期间client调用read()堵塞等待server的应答，server调用write()将处理结果发回给client，再次调用read()堵塞等待下一条请求，client收到后从read()返回，发送下一条请求，如此循环下去。

假设client没有很多其它的请求了，就调用close()关闭连接，就像写端关闭的管道一样，server的read()返回0，这样server就知道client关闭了连接，也调用close()关闭连接。注意，不论什么一方调用close()后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。假设一方调用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协议层是怎样交互的： *应用程序调用某个socket函数时TCP协议层完毕什么动作，比方调用connect()会发出SYN段 *应用程序怎样知道TCP协议层的状态变化，比方从某个堵塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段，再比方read()返回0就表明收到了FIN段。

码砖開始

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 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;

	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);
	}
}

client，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 8000

int 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 client
gcc server.c -o server

执行结果

从头文件開始解释

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，比方大小端的转换，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，包含16位port号和32位IP地址.IPv6地址用sockaddr_in6结构体表示，包含16位port号、128位IP地址和一些控制字段。

17行，声明一个记录client地址长度的变量，socklen_t就是socket中用来表示长度的类型。Linus Torvalds(他希望有很多其它的人,但显然不是非常多) 努力向他们解释使用size_t是全然错误的,由于在64位结构中 size_t和int的长度是不一样的,而这个參数(也就是accept函数 的第三參数)的长度必须和int一致,由于这是BSD套接字接口 标准.终于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port，函数原型是：

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

socket()打开一个网络通讯port，假设成功的话，就像open()一样返回一个文件描写叙述符，应用程序能够像读写文件一样用read/write在网络上收发数据，假设socket()调用出错则返回-1。对于IPv4，family參数指定为AF_INET。对于TCP协议，type參数指定为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，这个宏表示本地的随意IP地址，由于server可能有多个网卡，每一个网卡也可能绑定多个IP地址，这样设置能够在全部的IP地址上监听，直到与某个client建立了连接时才确定下来究竟用哪个IP地址，port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port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()的作用是将參数sockfd和myaddr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件描写叙述符监听myaddr所描写叙述的地址和port号。

32行，声明listenfd处于监听状态，并且最多同意有20个client处于连接待状态，假设接收到很多其它的连接请求就忽略。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client连接。由于cliaddr_len是传入传出參数，每次调用accept()之前应该又一次赋初值。accept()的參数listenfd是先前的监听文件描写叙述符，而accept()的返回值是另外一个文件描写叙述符connfd，之后与client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的參数。accept()成功返回一个文件描写叙述符，出错返回-1。

client少了bind，多了个connect函数。由于client不须要固定的port号，因此不必调用bind()，client的port号由内核自己主动分配。注意，client不是不同意调用bind()，仅仅是没有必要调用bind()固定一个port号，server也不是必须调用bind()，但假设server不调用bind()，内核会自己主动给server分配监听port，每次启动server时port号都不一样，client要连接server就会遇到麻烦。connect函数原型：

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

client须要调用connect()连接server，connect和bind的參数形式一致，差别在于bind的參数是自己的地址，而connect的參数是对方的地址。connect()成功返回0，出错返回-1。

小小的封装一下

代码尽管能够work，可是看着着实有点蛋疼,并且整个代码有流程的报错，出错了也非常难处理，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 exit
void 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;
		else
			perr_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;
		else
			return -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;
			else
				return -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;
		else
			return -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;
		} else
			return -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,通常会将errno变量(需include errno.h)赋一个整数值,不同的值表示不同的含义,能够通过查看该值猜測出错的原因，在实际编程中用这一招攻克了不少原本看来莫名其妙的问题。可是errno是一个数字，代表的详细含义还要到errno.h中去阅读宏定义，而每次查阅是一件非常繁琐的事情。有以下几种方法能够方便的得到错误信息

(1)void perror(const char *s)
函数说明
perror ( )用来将上一个函数错误发生的原因输出到标准错误(stderr),參数s 所指的字符串会先打印出,后面再加上错误原因 字符串。此错误原因按照全局变量
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,能够将该字符串和其它的信息组合输出到用户界面比如
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);
另外不是全部的地方错误发生的时候都能够通过error获取错误代码，比如以下的代码段

将client改成连接成功后能够多次发送消息的模式。

client.c

/* client.c */

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000

int 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也要做一点改动，使它能够多次处理同一client的请求。

/* server.c */
#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;

	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);
	}
}

执行结果

小作业 - 简单的Webserver

先按以下的步骤做：

1.终端输入ifconfig,查看自己的ip地址；

2.执行上面编译好的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）

得到浏览器的执行结果是

这就是一个简单的http请求。

在这个通信过程中，server就是我们的server程序，浏览器就是client。server启动之后，就開始监听相应的port，这时在浏览器中输入本机的ip和port，这时浏览器向server发送的HTTP协议头，server中的处理就是将全部字母都改成大写，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Webserver仅仅要能正确解析第一行即可了，这是一个GET请求，请求的是服务文件夹的根文件夹/（在本例中实际上是/var/www），Webserver应该把该文件夹下的索引页（默认是index.html）发给浏览器，也就是把/var/www/index.html发给浏览器。假如该文件的内容例如以下（HTML文件不是必需以"\r\n"换行，以"\n"换行就能够了）。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 OK
Content-Type: text/html

<html>
<head><title>Test Page</title></head>
<body>
	<p>Test OK</p>
</body>
</html>

server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号和应答码，200表示成功，后面的消息OK事实上能够随意写，浏览器是不关心的，主要是为了调试时给开发者看的。尽管网络协议终于是程序与程序之间的对话，可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能够提供非常多直观的信息给开发者，因此，非常多应用层网络协议，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。这一点比較特殊：通常网络通信都是client主动发起连接，主动发起请求，主动关闭连接，server仅仅是被动地处理各种情况，而HTTP协议规定server主动关闭连接（有些Webserver能够配置成Keep-Alive的，我们不讨论这样的情况）。

终于实现的server代码例如以下

/* 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 80

void 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);
}

终于执行结果

參考

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

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