理解网络编程和套接字

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第一章:理解网络编程和套接字

本章代码,在TCP-IP-NetworkNote中可以找到,直接点连接可能进不去。

1.1 理解网络编程和套接字

1.1.1构建打电话套接字

以电话机打电话的方式来理解套接字。

调用 socket 函数(安装电话机)时进行的对话

问:接电话需要准备什么?

答:当然是电话机。

有了电话机才能安装电话,于是就要准备一个电话机,下面函数相当于电话机的套接字。

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
//成功时返回文件描述符,失败时返回-1

调用 bind 函数(分配电话号码)时进行的对话

问:请问我的电话号码是多少

答:我的电话号码是123-1234

套接字同样如此。就想给电话机分配电话号码一样,利用以下函数给创建好的套接字分配地址信息(IP地址和端口号):

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
//成功时返回0,失败时返回-1

调用 bind 函数给套接字分配地址之后,就基本完成了所有的准备工作。接下来是需要连接电话线并等待来电。

调用 listen 函数(连接电话线)时进行的对话

问:已架设完电话机后是否只需链接电话线?

答:对,只需要连接就能接听电话。

一连接电话线,电话机就可以转换为可接听状态,这时其他人可以拨打电话请求连接到该机。同样,需要把套接字转化成可接受连接状态。

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
//成功时返回0,失败时返回-1

连接好电话线以后,如果有人拨打电话就响铃,拿起话筒才能接听电话。

调用 accept 函数(拿起话筒)时进行的对话

问:电话铃响了,我该怎么办?

答:接听啊。

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen_t *addrlen);
//成功时返回文件描述符,失败时返回-1

网络编程中和接受连接请求的套接字创建过程可整理如下:

  1. 第一步:调用 socket 函数创建套接字。
  2. 第二步:调用 bind 函数分配IP地址和端口号。
  3. 第三步:调用 listen 函数转换为可接受请求状态。
  4. 第四步:调用 accept 函数受理套接字请求。

1.1.2 编写Hello World套接字程序

服务端

服务器端(server)是能够受理连接请求的程序。下面构建服务端以验证之前提到的函数调用过程,该服务器端收到连接请求后向请求者返回Hello World!答复。除各种函数的调用顺序外,我们还未涉及任何实际编程。因此,阅读代码时请重点关注套接字相关的函数调用过程,不必理解全过程。

服务器端代码请参见:hello_server.c

客户端

客户端程序只有调用 socket 函数创建套接字调用 connect 函数向服务端发送连接请求这两个步骤,下面给出客户端,需要查看以下两方面的内容:

  1. 调用 socket 函数 和 connect 函数
  2. 与服务端共同运行以收发字符串数据

客户端代码请参见:hello_client.c

编译

分别对客户端和服务端程序进行编译:

gcc hello_server.c -o hserver
gcc hello_client.c -o hclient

运行

./hserver 9190
./hclient 127.0.0.1 9190

运行的时候,首先再 9190 端口启动服务,然后 heserver 就会一直等待客户端进行响应,当客户端监听位于本地的 IP 为 127.0.0.1 的地址的9190端口时,客户端就会收到服务端的回应,输出Hello World!

1.2 基于 Linux 的文件操作

讨论套接字的过程中突然谈及文件也许有些奇怪。但是对于 Linux 而言,socket 操作与文件操作没有区别,因而有必要详细了解文件。在 Linux 世界里,socket 也被认为是文件的一种,因此在网络数据传输过程中自然可以使用 I/O 的相关函数。Windows 与 Linux 不同,是要区分 socket 和文件的。因此在 Windows 中需要调用特殊的数据传输相关函数。

1.2.1 底层访问和文件描述符

分配给标准输入输出及标准错误的文件描述符。

文件描述符对象
0标准输入:Standard Input
1标准输出:Standard Output
2标准错误:Standard Error

文件和套接字一般经过创建过程才会被分配文件描述符。

文件描述符也被称为「文件句柄」,但是「句柄」主要是 Windows 中的术语。因此,在本书中如果设计 Windows 平台将使用「句柄」,如果是 Linux 将使用「描述符」。

1.2.2 打开文件:

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *path, int flag);
/*
成功时返回文件描述符,失败时返回-1
path : 文件名的字符串地址
flag : 文件打开模式信息
*/

文件打开模式如下表:

打开模式含义
O_CREAT必要时创建文件
O_TRUNC删除全部现有数据
O_APPEND维持现有数据,保存到其后面
O_RDONLY只读打开
O_WRONLY只写打开
O_RDWR读写打开

1.2.3 关闭文件:

#include <unistd.h>
int close(int fd);
/*
成功时返回 0 ,失败时返回 -1
fd : 需要关闭的文件或套接字的文件描述符
*/

若调用此函数同时传递文件描述符参数,则关闭(终止)响应文件。另外需要注意的是,此函数不仅可以关闭文件,还可以关闭套接字。再次证明了「Linux 操作系统不区分文件与套接字」的特点。

1.2.4 将数据写入文件:

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
/*
成功时返回写入的字节数 ,失败时返回 -1
fd : 显示数据传输对象的文件描述符
buf : 保存要传输数据的缓冲值地址
nbytes : 要传输数据的字节数
*/

在此函数的定义中,size_t 是通过 typedef 声明的 unsigned int 类型。对 ssize_t 来说,ssize_t 前面多加的 s 代表 signed ,即 ssize_t 是通过 typedef 声明的 signed int 类型。

创建新文件并保存数据:

代码见:low_open.c

编译运行:

gcc low_open.c -o lopen
./lopen

然后会生成一个data.txt的文件,里面有Let's go!

1.2.5 读取文件中的数据:

与之前的write()函数相对应,read()用来输入(接收)数据。

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
/*
成功时返回接收的字节数(但遇到文件结尾则返回 0),失败时返回 -1
fd : 显示数据接收对象的文件描述符
buf : 要保存接收的数据的缓冲地址值。
nbytes : 要接收数据的最大字节数
*/

下面示例通过 read() 函数读取 data.txt 中保存的数据。

代码见:low_read.c

编译运行:

gcc low_read.c -o lread
./lread

在上一步的 data.txt 文件与没有删的情况下,会输出:

file descriptor: 3
file data: Let's go!

关于文件描述符的 I/O 操作到此结束,要明白,这些内容同样适合于套接字。

1.2.6 文件描述符与套接字

下面将同时创建文件和套接字,并用整数型态比较返回的文件描述符的值.

代码见:fd_seri.c

编译运行

gcc fd_seri.c -o fds
./fds

输出结果:

file descriptor 1: 3
file descriptor 2: 15
file descriptor 3: 16

1.3 基于 Windows 平台的实现

暂略

1.4 基于 Windows 的套接字相关函数及示例

暂略

1.5 习题

:heavy_exclamation_mark:以下部分的答案,仅代表我个人观点,可能不是正确答案

  1. 套接字在网络编程中的作用是什么?为何称它为套接字?

    答:操作系统会提供「套接字」(socket)的部件,套接字是网络数据传输用的软件设备。因此,「网络编程」也叫「套接字编程」。「套接字」就是用来连接网络的工具。

  2. 在服务器端创建套接字以后,会依次调用 listen 函数和 accept 函数。请比较二者作用。

    答:调用 listen 函数将套接字转换成可受连接状态(监听),调用 accept 函数受理连接请求。如果在没有连接请求的情况下调用该函数,则不会返回,直到有连接请求为止。

  3. Linux 中,对套接字数据进行 I/O 时可以直接使用文件 I/O 相关函数;而在 Windows 中则不可以。原因为何?

    答:暂略。

  4. 创建套接字后一般会给他分配地址,为什么?为了完成地址分配需要调用哪个函数?

    答:套接字被创建之后,只有为其分配了IP地址和端口号后,客户端才能够通过IP地址及端口号与服务器端建立连接,需要调用 bind 函数来完成地址分配。

  5. Linux 中的文件描述符与 Windows 的句柄实际上非常类似。请以套接字为对象说明它们的含义。

    答:暂略。

  6. 底层 I/O 函数与 ANSI 标准定义的文件 I/O 函数有何区别?

    答:文件 I/O 又称为低级磁盘 I/O,遵循 POSIX 相关标准。任何兼容 POSIX 标准的操作系统上都支持文件I/O。标准 I/O 被称为高级磁盘 I/O,遵循 ANSI C 相关标准。只要开发环境中有标准 I/O 库,标准 I/O 就可以使用。(Linux 中使用的是 GLIBC,它是标准C库的超集。不仅包含 ANSI C 中定义的函数,还包括 POSIX 标准中定义的函数。因此,Linux 下既可以使用标准 I/O,也可以使用文件 I/O)。

  7. 参考本书给出的示例low_open.clow_read.c,分别利用底层文件 I/O 和 ANSI 标准 I/O 编写文件复制程序。可任意指定复制程序的使用方法。

    答:暂略。

TCP/IP网络编程目录

    教程来源:网道(WangDoc.com)以及 Github riba2534 无私奉献

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