TCP套接字编程

一.套接字（socket）函数

图1给出了在一个TCP客户与服务器通信的流程。服务器首先启动，稍后某个客户启动，它试图连接到服务器。假设客户给服务器发送一个请求，服务器处理该请求，并且给客户发回一个相应。这个过程一直持续下去，知道客户关闭连接的客户端，从而给服务器发送一个EOF（文件结束）通知为止。服务器接着也关闭连接的服务器端，然手结束运行或者等待新的客户连接。

图1 客户/服务器程序的套接字函数

1.socket函数

#include<sys/socket.h>
int socket(int family,int type,int protocol);

为了执行一个I/O，一个进程必须做的第一件事情就是调用socket函数，指定期望的通信协议类型。其中family参数指明协议族，见表1；type参数指明套接字类型，见表2；protocol参数指明协议，见表3。

family	说明
AF_INET	IPv4协议
AF_INET6	IPv6协议
AF_LOCAL	Unix域协议
AF_ROUTE	路由套接字
AF_KEY	密钥套接字

表1 socket函数family常值

type	说明
SOCK_STREAM	字节流套接字
SOCK_DGRAM	数据报套接字
SOCK_SEQPACKET	有序分组套接字
SOCK_RAW	原始套接字

表2 socket函数type常值

protocol	说明
IPPROTO_TCP	TCP传输协议
IPPROTO_UDP	UDP传输协议
IPPROTO_SCTP	SCTP传输协议

表3 socket函数AF_INET或AF_INET6的protocol常值

socket函数在成功时返回一个套接字描述符（sockfd），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

2.connect函数

#include<sys/socket.h>
int connect(int sockfd,const struct sockaddr *seraddr,socklen_t addrlen);

TCP客户用connect函数来与服务器建立连接。第一个参数是socket函数返回的套接字描述符，第二个、第三个参数分别是一个指向套接字地址结构的指针和该结构的大小。下面给出IPv4和IPv6套接字的地址结构，帮助理解：

//IPv4套接字地址结构
struct in_addr {
    int_addr_t       s_addr;     /* 32-bit IPv4 address */
                                          /* network byte order */
};

struct sockaddr_in {
    uint8_t            sin_len;        /* len of structure */
    sa_family_t      sin_family;   /* AF_INET */
    in_port_t         sin_port;      /* 16-bit TCP or UDP port number */
                                             /* network byte order */
    struct in_addr  sin_addr;     /* 32-bit IPv4 address */
                                             /* network byte order */
    char                sin_zero[8]; /* unused */
};

//IPv6套接字地址结构
struct in6_addr {
    uint8_t       s6_addr;        /* 128-bit IPv6 address */
                                          /* network byte order */
};

#define SIN6_LEN               /* required for compile-time tests */

struct sockaddr_in6 {
    uint8_t            sin6_len;         /* len of structure */
    sa_family_t      sin6_family;    /* AF_INET */
    in_port_t         sin6_port;       /* 16-bit TCP or UDP port number */
                                                /* network byte order */
    uint32_t          sin_flowinfo;    /* flow information, undefined */
    struct in6_addr  sin6_addr;     /* 32-bit IPv4 address */
                                                /* network byte order */
    uint32_t           sin6_zero[8];  /* unused */
};

客户在调用函数connect前不必非得调用bind函数，因为如果需要的话，内核会确定源IP地址，并选择一个临时端口作为源端口。

调用connect函数将激发TCP的三次握手过程，而且仅在连接建立成功或者出错时才返回。三次握手建立连接会在后面介绍。

3.bind函数

#include<sys/socket.h>
int bind(int sockfd,const struct sockaddr *myaddr,socklen_t addrle);

当我们调用socket函数时，返回的socket描述字它存在于协议族中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind函数，否则系统会自动随机分配一个端口。

4.listen函数

#include<sys/socket.h>
int listen(int sockfd,int backlog);

其中参数backlog规定了内核应该为相应套接字排队的最大连接数。

listen函数仅由TCP服务器调用，当socket函数创建一个套接字时，它被假设为一个主动套接字。而listen函数的作用就是把一个未连接套接字转换成一个被动套接字，指示内核应接受指向该套接字的连接请求，即将该套接字从CLOSED状态转换到LISTEN状态。

5.accept函数

#include<sys/socket.h>
int accept(int sockfd,const struct sockaddr *myaddr,socklen_t addrlen);

　    accept函数由TCP服务器调用，用于从已完成连接队列对头返回下一个已完成连接，如果已完成连接队列为空，那么进程被投入睡眠。

如果accept成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新描述符，代表与所返回客户的TCP连接。在accept函数中，第一个参数是监听套接字描述符（由socket创建，然后用作bind和listen的第一个参数的描述符），它的返回值为已连接套接字描述符。一个服务器通常仅仅创建一个监听套接字，它在该服务器的生命期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建一个已连接套接字。当服务器完成对某个给定客户的服务时，相应的已连接套接字就被关闭。

6.close函数

#include<sys/socket.h>
int close(int sockfd);

　　 close一个TCP套接字的默认行为是把该套接字标记成已关闭，然后立即返回到调用进程。该套接字描述符不能在有调用进程时使用。

二.传输控制协议（TCP）

1.TCP协议

TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，所以只能用于端到端的通信。TCP提供一种可靠的数据流服务，当TCP向另一端发送数据时，它要求对端返回一个确认。如果没有收到确认，TCP就自动重传并等待，数次失败后TCP才放弃。注意TCP并不保证数据一定会被对方端点接收，准确来说，它提供的是数据的可靠传递或故障的可靠通知。

2.TCP三次握手建立连接

• 建立一个TCP连接会发生下述情形：
• 服务器必须准备好接收外来的连接，即被动打开，通常通过调用socket、bind和listen这3个函数来完成。
• 客户通过调用connect发起主动打开。这导致客户TCP发送一个SYN（同步）分节，它告诉服务器客户将在（待建立的）连接中发送的数据的初始序列号。
• 服务器必须确认（ACK）客户的SYN，同时自己也得发送一个SYN分节，它含有服务器将在同一连接中发送的数据的初始序列号。服务器在单个分节中发送SYN和对客户SYN的ACK（确认）。
• 客户必须确认服务器的SYN。
• 这种交换至少需要3个分组，因此称为TCP的三次握手，如图2所示。

图2 TCP三次握手建立连接

图2中，客户的初始序列号为J，服务器的初始序列号为K。ACK中的确认号是发送这个ACK的一端所期待的下一个序列号。因为SYN占据一个字节的序列号空间，所以每一个SYN的ACK中的确认号就是该SYN的初始序列号加1。类似的，每一个FIN（表示结束）的ACK中的确认号为该FIN的序列号加1。

3.TCP四次握手释放连接

• TCP建立一个连接需要3个分节，终止一个连接需4个分节。
• 某个应用进程首先调用close，即该端执行主动关闭，该端的TCP发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。
• 接收到这个FIN的对端执行被动关闭。这个FIN由TCP确认，它的接收也作为一个文件结束符（EOF）传递给接收端应用进程（放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后），因为FIN的接收意味着接收端应用程序在相应连接上再无额外数据接收。
• 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字，这导致它的TCP也发送一个FIN。
• 接收这个最终的FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。

图3 TCP四次握手释放连接

类似SYN，一个FIN也占据一个字节的序列号空间，因此每个FIN的ACK确认号就是这个FIN的序列号加1。

4.TCP状态转换图

TCP连接建立和种植的操作可用状态状态转换图表示，如图4所示。

图4 TCP状态转换图

图中给出了11种TCP状态的名称，这些状态可使用netstat监视。

三.一个简单的客户/服务器程序

写了一个简单的TCP客户/服务器聊天程序作为全文总结：http://www.cnblogs.com/Rosanna/p/3494280.html

服务器代码：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94

#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<errno.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<arpa/inet.h> #include<netinet/in.h> #include<sys/socket.h> #include<sys/wait.h> #include <unistd.h>   #define MAXSIZE 1024 #define PORT 8080 #define BACKLOG 10   int main(int argc,char **argv) {     int listenfd,connfd;     struct sockaddr_in servaddr,cliaddr;     socklen_t len;     char message[MAXSIZE];       if((listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)     {         perror("socket");         exit(1);     }     else printf("socket create success!\n");       bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));     servaddr.sin_family=AF_INET;     servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);     servaddr.sin_port=htons(PORT);       if((bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(struct sockaddr)))==-1)     {         perror("bind");         exit(1);     }     else printf("bind success!\n");       if(listen(listenfd,BACKLOG)==-1)     {         perror("listen");         exit(1);     }     else printf("sever is listening!\n");       for( ; ; )     {         printf("*********开始聊天*********\n");         len=sizeof(struct sockaddr);         if((connfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&len))==-1)         {             perror("accept");             exit(1);         }         else printf("客户端:%s: %d\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),ntohs(cliaddr.sin_port));         for( ; ; )         {             bzero(message,MAXSIZE);             printf("输入：");             fgets(message,MAXSIZE,stdin);             if(!strncasecmp(message, "quit", 4))             {                 printf("终止聊天!\n");                 break;             }             else len=send(connfd,message,strlen(message),0);             if(len<0)             {                 printf("发送失败");                 break;             }               bzero(message,MAXSIZE);             len=recv(connfd,message,MAXSIZE,0);             if(len>0) printf("客户端：%s",message);             else if(len<0) printf("接受消息失败！\n");             else printf("客户端不在线！\n");         }         close(connfd);         printf("是否退出服务器[Y/N]:");         bzero(message,MAXSIZE);         fgets(message,MAXSIZE,stdin);         if(!strncasecmp(message, "Y", 1))         {             printf("服务器已退出！");             break;         }     }     close(listenfd);     return 0; }

客户端代码：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <errno.h> #include <sys/socket.h> #include <arpa/inet.h> #include <netinet/in.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h>   #define MAXSIZE 1024 #define PORT 8080   int main(int argc, char **argv) {     int sockfd;     struct sockaddr_in servaddr;     socklen_t len;       char message[MAXSIZE];              if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)     {         perror("socket");         exit(1);     }     else printf("socket create success!\n");       bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));     servaddr.sin_family = AF_INET;     servaddr.sin_port = htons(PORT);       inet_aton(argv[1],&servaddr.sin_addr);       if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(struct sockaddr))==-1)     {         perror("connect");         exit(1);     }     else printf("conncet success!\n");           for( ; ; )     {         bzero(message,MAXSIZE);         len=recv(sockfd,message,MAXSIZE,0);         if(len>0)             printf("服务器：%s",message);         else         {             if(len<0) printf("接受消息失败！\n");             else printf("服务器已退出！\n");             break;            }           bzero(message,MAXSIZE);         printf("输入：");         fgets(message,MAXSIZE,stdin);           if(!strncasecmp(message, "quit", 4))         {             printf("client 请求终止聊天!\n");             break;         }           else             len = send(sockfd,message,strlen(message),0);         if(len<0)                    {             printf("消息发送失败!\n");             break;                    }     }     close(sockfd);     return 0; }

编译：

1 2	gcc -Wall server.c -o server gcc -Wall client.c -o client

服务器运行结果：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

./server socket create success! bind success! sever is listening! *********开始聊天********* 客户端:127.0.0.1: 60355 输入：hello 客户端不在线！ 输入：quit 终止聊天! 是否退出服务器[Y/N]:Y 服务器已退出！

客户端运行结果：

1 2 3 4 5 6

./client 127.0.0.1 socket create success! conncet success! 服务器：hello 输入：quit client 请求终止聊天!