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Linux Socket 编程初入门

[日期:2016-12-05] 来源:Linux社区  作者:Linux [字体: ]

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。

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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.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;

    // 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);
    }
}

把上面的代码保存到文件 server.c 文件中,并执行下面的命令编译:

$ gcc server.c -o server

然后运行编译出来的 server 程序:

$ ./server

此时我们可以通过 ss 命令来查看主机上的端口监听情况:

如上图所示,server 程序已经开始监听主机的 8000 端口了。

下面让我们介绍一下这段程序中用到的 socket 相关的 API。

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

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。对于IPv4,family 参数指定为 AF_INET。对于 TCP 协议,type 参数指定为 SOCK_STREAM,表示面向流的传输协议。如果是 UDP 协议,则 type 参数指定为 SOCK_DGRAM,表示面向数据报的传输协议。protocol 指定为 0 即可。

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

服务器需要调用 bind 函数绑定一个固定的网络地址和端口号。bind() 的作用是将参数 sockfd 和 myaddr 绑定在一起,使 sockfd 这个用于网络通讯的文件描述符监听 myaddr 所描述的地址和端口号。struct sockaddr *是一个通用指针类型,myaddr 参数实际上可以接受多种协议的 sockaddr 结构体,而它们的长度各不相同,所以需要第三个参数 addrlen 指定结构体的长度。
程序中对 myaddr 参数的初始化为:

bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

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,这个宏表示本地的任意 IP 地址,因为服务器可能有多个网卡,每个网卡也可能绑定多个 IP 地址,这样设置可以在所有的 IP 地址上监听,直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个 IP 地址,端口号为 SERV_PORT,我们定义为 8000。

int listen(int sockfd, int backlog);

listen() 声明 sockfd 处于监听状态,并且最多允许有 backlog 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。

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

三方握手完成后,服务器调用 accept() 接受连接,如果服务器调用 accept() 时还没有客户端的连接请求,就阻塞等待直到有客户端连接上来。cliaddr 是一个传出参数,accept() 返回时传出客户端的地址和端口号。addrlen 参数是一个传入传出参数(value-result argument)���传入的是调用者提供的缓冲区 cliaddr 的长度以避免缓冲区溢出问题,传出的是客户端地址结构体的实际长度(有可能没有占满调用者提供的缓冲区)。如果给 cliaddr 参数传 NULL,表示不关心客户端的地址。
服务器程序的主要结构如下:

while (1)
{
    cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
    connfd = accept(listenfd,
            (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
    n = read(connfd, buf, MAXLINE);
    ......
    close(connfd);
}

整个是一个 while 死循环,每次循环处理一个客户端连接。由于 cliaddr_len 是传入传出参数,每次调用 accept( ) 之前应该重新赋初值。accept() 的参数 listenfd 是先前的监听文件描述符,而 accept() 的返回值是另外一个文件描述符 connfd,之后与客户端之间就通过这个 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 的参数。

客户端程序

下面是客户端程序,它从命令行参数中获得一个字符串发给服务器,然后接收服务器返回的字符串并打印:

 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.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);
   
    // 由于客户端不需要固定的端口号,因此不必调用 bind(),客户端的端口号由内核自动分配。
    // 注意,客户端不是不允许调用 bind(),只是没有必要调用 bind() 固定一个端口号,
    // 服务器也不是必须调用 bind(),但如果服务器不调用 bind(),内核会自动给服务器分配监听端口,
    // 每次启动服务器时端口号都不一样,客户端要连接服务器就会遇到麻烦。
    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);
    printf("\n");
    close(sockfd);
    return 0;
}

 

把上面的代码保存到文件 client.c 文件中,并执行下面的命令编译:

$ gcc client.c -o client

然后运行编译出来的 client 程序:

$ ./client hello

此时服务器端会收到请求并返回转换为大写的字符串,并输出相应的信息:

而客户端在发送请求后会收到转换过的字符串:

在客户端的代码中有两点需要注意:
   1. 由于客户端不需要固定的端口号,因此不必调用 bind(),客户端的端口号由内核自动分配。
   2. 客户端需要调用 connect() 连接服务器,connect 和 bind 的参数形式一致,区别在于 bind 的参数是自己的地址,而 connect 的参数是对方的地址。
至此我们已经使用 socket 技术完成了一个最简单的客户端服务器程序,虽然离实际应用还非常遥远,但就学习而言已经足够了。

提升服务器端的响应能力

虽然我们的服务器程序可以响应客户端的请求,但是这样的效率太低了。一般情况下服务器程序需要能够同时处理多个客户端的请求。可以通过 fork 系统调用创建子进程来处理每个请求,下面是大体的实现思路:

listenfd = socket(...);
bind(listenfd, ...);
listen(listenfd, ...);
while (1)
{
    connfd = accept(listenfd, ...);
    n = fork();
    if (n == -1)
    {
        perror("call to fork");
        exit(1);
    }
    else if (n == 0)
    {
        // 在子进程中处理客户端的请求。
        close(listenfd);
        while (1)
        {
            read(connfd, ...);
            ...
            write(connfd, ...);
        }
        close(connfd);
        exit(0);
    }
    else
    {
        close(connfd);
    }   
}

此时父进程的任务就是不断的创建子进程,而由子进程去响应客户端的具体请求。通过这种方式,可以极大的提升服务器端的响应能力。

总结

本文通过一个简单的建基于 TCP 协议的网络程序介绍了 linux socket 编程中的基本概念。通过它我们可以了解到 socket 程序工作的基本原理,以及一些解决性能问题的思路。

本文永久更新链接地址http://www.linuxidc.com/Linux/2016-12/137895.htm

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