Linux Kernel TCP/IP Stack — Socket Layer — TCP/UDP Socket 网络编程

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• • 
    
• ​​目录​​
• ​​TCP/UDP Socket 逻辑架构​​
• ​​创建 Socket​​
• ​​绑定 Socket​​
• ​​请求建立 Socket 连接​​
• ​​监听 Socket​​
• ​​接受请求​​
• ​​关闭连接​​
• ​​数据的发送和接收​​

• • 
    
• ​​send 发送函数​​
• ​​recv 接收函数​​
• ​​sendto 发送函数​​
• ​​recvfrom 接收函数​​
  • 
    

• ​​TCP Socket 示例​​
• ​​UDP Socket 示例​​
  • 
    

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_INET6
    in_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：

1. 先启动 TCP Server：

# ./tcp_server

2. 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

3. 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  100

int 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  100

int 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