Linux下Socket通信（TCP实现）

2019年3月3日 194次阅读 来源: TCP

近期在做的项目中，涉及到了进程间数据传输，系统的原本实现是通过管道，但是原有的实现中两个进程是在同一台机器，而且两个进程的关系为父子关系，而我们要做的是将其中一个进程移植到服务器上，因此两个进程要分开，所以管道必然是不可行的方案，而对于其它的进程通信方式，FIFO，消息队列，信号量和共享内存，显然也是不可行的。因此采取了通过socket的通信方式，即网络套接字，用来做数据的传输。接下来，将对自己对socket的学习一个整理，socket是什么？socket的创建，绑定，发送，接收消息过程进行分析，同时附带一个简单的代码实例。

网络套接字Socket

套接字是通信端点的抽象，其英文socket，即为插座，孔的意思。如果两个机子要通信，中间要通过一条线，这条线的两端要连接通信的双方，这条线在每一台机子上的接入点则为socket，即为插孔，所以在通信前，我们在通信的两端必须要建立好这个插孔，同时为了保证通信的正确，端和端之间的插孔必须要一一对应，这样两端便可以正确的进行通信了，而这个插孔对应到我们实际的操作系统中，就是socket文件，我们再创建它之后，就会得到一个操作系统返回的对于该文件的描述符，然后应用程序可以通过使用套接字描述符访问套接字，向其写入输入，读出数据。
站在更贴近系统的层级去看，两个机器间的通信方式，无非是要通过运输层的TCP/UDP，网络层IP，因此socket本质是编程接口(API)，对TCP/UDP/IP的封装，TCP/UDP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口。
Socket的创建

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

创建一个socket

int server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

这样，我们便创建了一个socket，对于socket接收的参数都有什么意义呢？从上面，我们可以知道socket是对于底层网络通信的一个封装，而对于底层的网络通信也是具备多种类型的。而这些参数则是通过组合来表示各类通信的特征，从而建立正确的套接字。

  • domain:通信的特性，每个域有自己的地址表示格式，AF打头，表示地址族（Address family）

《Linux下Socket通信（TCP实现）》
type：套接字的类型，进一步确定通信特征。
《Linux下Socket通信（TCP实现）》
protocol:表示为给定域和套接字类型选择默认协议，当对同一域和套接字类型支持多个协议时，可以通过该字段来选择一个特定协议，通常默认为0.上面设置的socket类型，在执行的时候也会有默认的协议类型提供，比如SOCK_STREAM就TCP协议。
《Linux下Socket通信（TCP实现）》
从上面的socket类型中，我们看到有SOCK_RAW该种类型，SOCK_RAW套接字提供一个数据报接口。通过这个我们可以直接访问下面的网络层，绕过TCP/UDP，因此我们可以进行制定自己的传输层协议。
至此，我们的socket已经创建出来了，当我们不再使用的时候，我们可以调用close函数来将其关闭，释放该文件描述符，这样便可以得到重新的使用。
套接字通信是双向的，但是，我们可以采用shutdown函数来禁止一个套接字的I/O.

#include<sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);

how可以用来指定读端口或者是写端口，这样我们便可以关闭掉读端或者写端。

通信

我么已经创建好了Socket，接下来要做的就是通过socket进行通信了，在两个进程间进行通信，首先，我们要找到这些进程，找到进程，也就是能够有这些进程的唯一标示，有了这些标示，我们才可以确定通信的双方，然后进行数据的传输，对于一个通信进程的标示，所采取的方式是通过一个网络地址，也就是IP地址，战找到我们要通信的主机，然后通过端口号，找到相应的服务。网络地址+端口号唯一标示了一个我们要通信的目标进程。

  • 字节序

字节序是处理器架构的特性，用来指示像整数这种数据类型的内部如何排序，大端和小端，因此如果通信双方的处理器架构不同，则会导致字节序的不一致的问题出现。最底层的网络协议指定了字节序，大端字节序，但是应用程序在处理数据时，则会遇到字节序不一致的问题。对此，系统提供了进行处理器字节序和网络字节序之间实施转换的函数。

#include <arpa/inet.h>

uint32_t htonl(uint32_t hostint32)//主机字节转化为网络字节序
uint16_t htons(uint16_t hostint16)
uint32_t ntohl(uint32_t netint32)//网络字节序转化为主机字节序
unint16_t ntohs(uint16_t netint16)
  • 地址格式

上面，我们已经谈到如何表示一个要通信的进程，需要一个网络地址和端口，而在系统中如何具体的标示这一特征呢？根据之前socket的创建，我们知道不同socket对应了不同的通信特征，而对于不同的通信特征，其地址表示上也有一些差别。
这里我们只看一下IPV4因特网域地址的表示结构。
struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; in_port_t sin_port; struct in_addr sin_addr;}
sin_family: 通信的的域，这里为AF_INET
sin_port:通信的端口
sin_addr:网络地址

套接字和地址关联

我们套接字已经创建好了，地址结构也已经了解了，接下来就是要将套接字和地址进行关联，关联的方法则是通过bind
函数。

#include <sys/socket.h>

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

创建地址

struct sockaddr_in server_sockaddr;server_sockaddr.sin_family = AF_INET;server_sockaddr.sin_port = htons(PORT);server_sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
socklen_t server_len = sizeof(server_sockaddr);
bind(server_sockfd, (struct sockaddr*)&server_sockaddr, server_len)

通过bind函数，我们实现了socket和地址的绑定。
建立连接
socket建立好了，地址也绑定好了，这个时候，我们就可以进行连接了，要有一方进行连接的建立，通过调用connect
函数。

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

sockfd:这个就是本地端socket描述符，如果我们没有赋值，系统会默认提供一个值。只有当服务器开启，并正常运行，我们的连接才能够正常建立。
如何让socket接收连接请求呢？在另一端，我们调用listen
方法来接收连接请求。

#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);
  • sockfd:绑定了地址的socket文件描述符。
  • backlog:服务器负载，提示系统进程所要入队的未完成请求数量。
    通过listen我们得到了连接请求，接下来，就是建立连接，通过函数accept
#include <sys/socket.h>

int accept(int sockfd, struct sockaddr *restric addr, socklen_t *restrict len);

调用accept函数的返回值是套接字文件描述符，该描述符连接到调用connect的客户端。
一旦服务器调用了listen，所用的套接字就能接收连接请求，使用accept函数获得连接请求并建立连接。
使用accept函数获得连接请求并建立连接。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr, socklent_t *restrict len);

当调用accept函数会产生一个新的套接字，这个新的套接字和原始套接字有相同的套接类型。这个时候，我们可以传入一个指向socket的指针和其大小，设置之后，调用了accept就会将客户端的地址进行缓冲。
数据传输
连接已经建立好了，由于socket本身都是文件描述符，因此接下来就可以调用所read和write来通过套接字通信。
对于面向连接的数据传输，我们需要的两个函数是send和recv。

#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags)
  • sockfd:accept返回的socket文件描述符。
  • buf:发送数据，
  • bytes：发送数据大小
  • flags：对于传送数据的一些配置项

对于不同的socket类型，系统提供了不同的发送方法。

#include <sys/socket.h>

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

具体参数和send类似。
socket选项设置
对于Socket，系统提供了更具体细致化的一些配置选项，通过这些配置选项，我们可以进行进一步具体的配置。

#include <sys/socket.h>

int setsockopt(int sockfd, int level, int option, const void *val, socklen_t len);

《Linux下Socket通信（TCP实现）》
sockfd：我们要进行配置的socket
level：根据我们选用的协议，配置相应的协议编号
option：选项即为上表
最后参数是用来存放返回值

实现demo实例
server

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/shm.h>

#define PORT 22468
#define KEY 123
#define SIZE 1024

int main()
{

    char buf[100];
    memset(buf,0,100);

    int server_sockfd,client_sockfd;
    socklen_t server_len,client_len;

    struct  sockaddr_in server_sockaddr,client_sockaddr;

    /*create a socket.type is AF_INET,sock_stream*/
    server_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
    server_sockaddr.sin_family = AF_INET;
    server_sockaddr.sin_port = htons(PORT);
    server_sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    server_len = sizeof(server_sockaddr);
    
    int on;
    setsockopt(server_sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));
    /*bind a socket or rename a sockt*/
    if(bind(server_sockfd, (struct sockaddr*)&server_sockaddr, server_len)==-1){
        printf("bind error");
        exit(1);
    }

    if(listen(server_sockfd, 5)==-1){
        printf("listen error");
        exit(1);
    }

    client_len = sizeof(client_sockaddr);

    pid_t ppid,pid;

    while(1) {

        if((client_sockfd = accept(server_sockfd, (struct sockaddr*)&client_sockaddr, &client_len)) == -1){
            printf("connect error");
            exit(1);
        } else {
            printf("create connection successfully\n");
            int error = send(client_sockfd, "You have conected the server", strlen("You have conected the server"), 0);
            printf("%d\n", error);
        }
 } 
    return 0;
}
  • client
#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <errno.h> 
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h> 
#include <sys/wait.h> 
#include <unistd.h> 
#include <arpa/inet.h> 

#define SERVER_PORT 22468
#define MAXDATASIZE 100  
#define SERVER_IP "Your IP" 

int main() { 
    int sockfd, numbytes; 
    char buf[MAXDATASIZE]; 
    struct sockaddr_in server_addr; 

    printf("\n======================client initialization======================\n"); 
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) { 
        perror("socket"); 
        exit(1); 
    }

    server_addr.sin_family = AF_INET; 
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); 
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); 
    bzero(&(server_addr.sin_zero),sizeof(server_addr.sin_zero)); 

    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in)) == -1){
         perror("connect error"); 
         exit(1);
     } 
    
     while(1) { 
         bzero(buf,MAXDATASIZE); 
         printf("\nBegin receive...\n"); 
         if ((numbytes = recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) == -1){  
             perror("recv"); 
             exit(1);
         } else if (numbytes > 0) { 
             int len, bytes_sent;
             buf[numbytes] = '\0'; 
            printf("Received: %s\n",buf);
            printf("Send:"); 
            char msg[100];
            scanf("%s",msg);
            len = strlen(msg); 
            //sent to the server
            if(send(sockfd, msg,len,0) == -1){ 
                perror("send error"); 
            }
        } else { 
            printf("soket end!\n"); 
            break;
        } 
    }  
        close(sockfd); 
        return 0;
    }

总结

最近也在看的一个RPC框架，thrift，定义好我们的接口文件，然后可以帮助我们生成两端的桩文件，而且实现原理上，也不过是通过底层的socket通信做了包装，执行相应的调用。socket通信在大三的OS课上写过，本文主要目的记录本次学习，对于socket知识进行了一个回顾。

    原文作者：TCP
    原文地址: https://segmentfault.com/a/1190000010838127
    本文转自网络文章，转载此文章仅为分享知识，如有侵权，请联系博主进行删除。
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