系统编程-网络-tcp客户端服务器编程模型、socket、htons、inet_ntop等各API详解、telnet测试基本服务器功能、getsockname/getpeername
PART1 基础知识
1. 字节序
网络字节序是大端字节序(低地址存放更高位的字节)， 所以，对于字节序为小端的机器需要收发网络数据的场景，要对这些数据进行字节序转换。
字节序转换函数，常用的有四个：
很好记，n表示network， h表示host, l表示long, s表示short。
举例， htons 表示将主机的二字节数据转为网络字节序。
PART2 TCP客户端、服务器 的编程模型 总体概述 以及涉及到的API详解
1. socket套接字的背景介绍
注意，这里相关描述的组成有五个部分，这就是广为人知的 socket 五元组 =》{协议、本地地址、本地端口、远程地址、远程端口}
socket在内核中的位置如下图
2. socket系统调用正式登场
对于socket的第二个参数type，大家一般知道的和最常用的只是对应TCP和UDP的两种，实际上一共有4个可选参数哦！
3. 网络通信，肯定需要IP地址，本步骤就是填充好客户端或服务器编程所需的地址信息参数(两种方式)
方式1 通用地址结构， 使用不方便 ，介绍如下
方式2 因特网地址结构，使用更加方便，介绍如下
填充ipv4地址 -- 使用示例 (指定服务器所使用的网卡IP为192.168.2.1) ：
在填充struct sockaddr_in类型的结构体变量sin的部分成员时，我们使用到了辅助函数inet_pton。
功能： 将点分十进制的ip地址转化为用于网络传输的数值格式
返回值：若成功则为1，若输入不是有效的表达式则为0，若出错则为-1 .
功能： 将数值格式转化为点分十进制的ip地址格式
返回值：若成功则为指向结构的指针，若出错则为NULL
好记忆， inet_pton中的p表示pointer，即点分十进制的字符串，而n表示network，即网络字节序的数据。
所以inet_pton表示将点分十进制的字符串转为网络字节序数据， inet_ntop表示将网络字节序转为点分十进制数据。
详解：
（1）这两个函数的af，即family参数，既可以是AF_INET(ipv4), 也可以是AF_INET6(ipv6).
如果,以不被支持的地址族作为family参数，这两个函数都会返回一个错误，并将errno置为EAFNOSUPPORT.
（2）inet_pton函数尝试转换由src指针所指向的字符串，并通过dst指针存放二进制结果,
成功则返回值为1.失败则返回值为0,例如所指定的family不是有效的表达式格式时.
（3）inet_ntop函数进行相反的转换=》从数值格式(src)转换到表达式(dst)。
inet_ntop函数的dst参数不可以是一个空指针，调用者必须为目标存储单元分配内存并指定其大小，调用成功时，这个指针就是该函数的返回值。
size参数是目标存储单元的大小，以免该函数溢出其调用者的缓冲区。如果size太小，不足以容纳表达式结果，那么返回一个空指针，并置为errno为ENOSPC。
PS：在上图示例代码内，指定了服务器所使用的网卡IP为192.168.2.1，我们也可以监听服务器所在主机的所有网卡，即使用INADDR_ANY，如下图所示
4. 对于服务器编程，接着需要调用bind来绑定上一步骤内准备好的地址信息
返回：成功则返回 0， 出错返回 -1 。
5. 对于服务器编程，下一步就是让服务器端监听客户端连接，涉及listen系统调用
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。
listen()成功返回0，失败返回-1。
6. 对于服务器编程，接着就是让服务器调用accept()接受客户端的连接
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。即：若没有客户端连接，调用此函数会阻塞。
addr是一个传出参数，accept()返回时传出客户端的地址和端口号。如果给addr参数传NULL，表示不关心客户端的地址。
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).
accept 使用说明1：
PS： 这里同时获取了连接上来的客户端的信息，使用下图方式可以解析出该信息
accept使用说明2：
我们的服务器程序结构如下
while (1) {
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
n = read(connfd, buf, MAXLINE);
......
close(connfd);
}
整个是一个while死循环，每次循环处理一个新客户端的连接。
由于cliaddr_len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).所以，每次调用accept()之前应该重新赋初值。
accept()的参数sockfd一直都是服务器本地负责监听的文件描述符，而accept()的返回值是针对新连接上来的客户端的文件描述符connfd，
之后与客户端之间就通过这个connfd通讯，最后关闭connfd断开与该客户端的连接。
7. 对于服务器编程，下一步就可以调用read、write系统调用进行数据传输了
7.1 write函数
write函数将buf中的nbytes字节内容写入到文件描述符中，成功返回写的字节数，失败返回-1.并设置errno变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述舒服写数据时有两种可能：
7.1.1、网络络编程中写函数是不负责将全部数据写完之后再返回的，说不定中途就返回了！
write的返回值大于0，表示写了部分数据或者是全部的数据。
一般用一个while循环不断的写入数据，循环过程中的buf参数和nbytes参数是需要我们来把控的。
下面展示一个发送大数据量时的核心代码，准确可靠的
7.1.2、write函数返回值小于0，表示出错了，可查看errno，需要根据错误类型进行相应的处理。
如果错误码是EINTR，表示在写的时候出现了中断错误，如果错误码是EPIPE，表示网络连接出现了问题。
7.2 read函数
read函数是负责从fd中读取内容，当读取成功时，read返回实际读取到的字节数，如果返回值是0，表示已经读取到文件的结束了，小于0表示是读取错误。
如果错误是EINTR，表示在写的时候出现了中断错误，如果错误码是EPIPE，表示网络连接出现了问题。
7.3 recv 和 send 函数
前面的三个参数和read、write函数是一样的。
第四个参数可以是0或者是以下组合
MSG_DONTROUTE：不查找表
send函数使用的标志，这个标志告诉IP，目的主机在本地网络上，没有必要查找表，这个标志一般用在网络诊断和路由程序里面。
MSG_OOB：接受或者发生带外数据
表示可以接收和发送带外数据。
MSG_PEEK：查看数据，并不从系统缓冲区移走数据
recv函数使用的标志，表示只是从系统缓冲区中读取内容，而不清楚系统缓冲区的内容。这样在下次读取的时候，依然是一样的内容，一般在有多个进程读写数据的时候使用这个标志。
MSG_WAITALL：等待所有数据
recv函数的使用标志，表示等到所有的信息到达时才返回，使用这个标志的时候，recv返回一直阻塞，直到指定的条件满足时，或者是发生了错误。
8. close 关闭文件描述符
成功则返回0，错误返回 -1，
错误码errno为EBADF，表示fd不是一个有效描述符； 错误码errno为EINTR，表示close函数被信号中断；而EIO则表示一个IO错误。
9. 客户端建立连接
成功则返回0, 出错返回 -1, 并设置errno。
客户端需要调用connect()连接服务器，connect和bind的参数形式一致，区别在于服务器bind的参数是服务器自己的地址，而客户端connect的参数是服务器的地址。
PART3 基本服务器端程序编写、使用telnet客户端，针对自己编写好的服务器，进行功能测试
如果遇到上述问题，解决很简单，按下图开启telnet client功能即可。
实验代码：
server.h
#ifndef __SERVER_H__
#define __SERVER_H__
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#define SERV_PORT 5001
#define SERV_IPADDR "192.168.1.21"
#define QUIT_STR "quit"
#endif
server.c
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include "server.h"
#include <assert.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void my_itoa(long i, char *string)
{
int power = 0, j = 0;
j = i;
for (power = 1; j>10; j /= 10)
power *= 10;
for (; power>0; power /= 10)
{
*string++ = '0' + i / power;
i %= power;
}
*string = '\0';
printf("%s\n", string);
}
int server_local_fd, new_client_fd;
void sig_deal(int signum){
close(new_client_fd);
close(server_local_fd);
exit(1);
}
int main(void)
{
struct sockaddr_in sin;
signal(SIGINT, sig_deal);
printf("pid = %d \n", getpid());
/*1.创建IPV4的TCP套接字 */
server_local_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(server_local_fd < 0) {
perror("socket error!");
exit(1);
}
/* 2.绑定在服务器的IP地址和端口号上*/
/* 2.1 填充struct sockaddr_in结构体*/
bzero(&sin, sizeof(sin));
sin.sin_family = AF_INET;
sin.sin_port = htons(SERV_PORT);
#if 1
// 方式一
sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERV_IPADDR);
#endif
#if 0
// 方式二：
sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
#endif
#if 0
// 方式三： inet_pton函数来填充此sin.sin_addr.s_addr成员
if(inet_pton(AF_INET, "192.168.1.21", &sin.sin_addr.s_addr) >0 ){
printf("s_addr=%s \n", inet_ntop(AF_INET, &sin.sin_addr.s_addr, buf, sizeof(buf)));
printf("buf = %s \n", buf); // 这两条打印语句结果是一样的， inet_ntop调用成功的返回值就是buf。
}
#endif
/* 2.2 绑定*/
if(bind(server_local_fd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin)) < 0) {
perror("bind");
exit(1);
}
/*3.listen */
listen(server_local_fd, 5);
printf("client listen 5. \n");
char sned_buf[] = "hello, i am server \n";
struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t clientaddrlen;
while(1) {
/*4. accept阻塞等待客户端连接请求 */
#if 0
/*****不关心连接上来的客户端的信息*****/
if( (new_client_fd = accept(server_local_fd, NULL, NULL)) < 0) {
}else{
/*5.和客户端进行信息的交互(读、写) */
ssize_t write_done = write(new_client_fd, sned_buf, sizeof(sned_buf));
printf("write %ld bytes done \n", write_done);
}
#else
/****获取连接上来的客户端的信息******/
memset(&clientaddr, 0, sizeof(clientaddr));
memset(&clientaddrlen, 0, sizeof(clientaddrlen));
clientaddrlen = sizeof(clientaddr);
/***
* 由于cliaddr_len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).
* 所以，每次调用accept()之前应该重新赋初值。
* ******/
if( (new_client_fd = accept(server_local_fd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &clientaddrlen)) < 0) {
perror("accept");
exit(1);
}
printf("client connected! print the client info .... \n");
int port = ntohs(clientaddr.sin_port);
char ip[16] = {0};
inet_ntop(AF_INET, &(clientaddr.sin_addr.s_addr), ip, sizeof(ip));
printf("client: ip=%s, port=%d \n", ip, port);
#endif
}
close(new_client_fd);
close(server_local_fd);
return 0;
}
在windows下确保能够ping通我们的ubuntu，然后开启两个telnet去连接我们的服务器程序，结果如下
ubuntu内编译好代码，运行结果如下
后记： getsockname与 getpeername
getsockname返回参数sockfd指定的本地IP和端口，当套接字的地址与INADDR_ANY绑定时，除非使用connect或accept，否则函数将不返回本地IP的任何信息，但是端口号可以返回，这在双连接时会有所意义。
实验 -- 使用getsockname来获取本地服务器的IP
#include <errno.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <unistd.h> #include <stdint.h> #include <string.h> #include "server.h" #include <assert.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <signal.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <errno.h> // 在Linux网络编程这块，，胡乱包含过多头文件会导致编译不过。 //#include <linux/tcp.h> // 包含下方这个头文件，就不能包含该头文件，否则编译报错。 #include <netinet/tcp.h> // setsockopt 函数 需要包含此头文件 int server_local_fd, new_client_fd; void sig_deal(int signum){ if(signum == SIGINT){ close(new_client_fd); close(server_local_fd); exit(0); }else if(signum == SIGCHLD){ wait(NULL); } } int main(void) { struct sockaddr_in sin; signal(SIGINT, sig_deal); signal(SIGCHLD, sig_deal); printf("pid = %d \n", getpid()); /*1.创建IPV4的TCP套接字 */ server_local_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(server_local_fd < 0) { perror("socket error!"); exit(1); } /* 2.绑定在服务器的IP地址和端口号上*/ /* 2.1 填充struct sockaddr_in结构体*/ bzero(&sin, sizeof(sin)); sin.sin_family = AF_INET; sin.sin_port = htons(SERV_PORT); #if 0 // 方式一 sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERV_IPADDR); #endif #if 1 // 方式二： sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; #endif #if 0 // 方式三： inet_pton函数来填充此sin.sin_addr.s_addr成员 if(inet_pton(AF_INET, "192.168.1.21", &sin.sin_addr.s_addr) >0 ){ char buf[16] = {0}; printf("s_addr=%s \n", inet_ntop(AF_INET, &sin.sin_addr.s_addr, buf, sizeof(buf))); printf("buf = %s \n", buf); } #endif /* 2.2 绑定*/ if(bind(server_local_fd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin)) < 0) { perror("bind"); exit(1); } #if 0 struct sockaddr_in server_addr; socklen_t serv_len = sizeof(server_addr); getsockname(server_local_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, &serv_len); char serv_ip[20] = {0}; inet_ntop(AF_INET, &server_addr.sin_addr, serv_ip, sizeof(serv_ip)); printf("server IP (%s)\n", serv_ip); #endif /*3.listen */ listen(server_local_fd, 5); printf("client listen 5. \n"); char sned_buf[] = "hello, i am server \n"; struct sockaddr_in clientaddr; socklen_t clientaddrlen; char client_commu_recv_data_buf[100]={0}; char client_commu_send_data_buf[100]= {"I am server\n"}; while(1){ /*4. accept阻塞等待客户端连接请求 */ /****获取连接上来的客户端的信息******/ memset(&clientaddr, 0, sizeof(clientaddr)); memset(&clientaddrlen, 0, sizeof(clientaddrlen)); clientaddrlen = sizeof(clientaddr); /*** * 由于cliaddr_len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). * 所以，每次调用accept()之前应该重新赋初值。 * ******/ if( (new_client_fd = accept(server_local_fd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &clientaddrlen)) < 0) { perror("accept"); exit(1); } printf("new client connected! print the client info .... \n"); int port = ntohs(clientaddr.sin_port); char ip[16] = {0}; inet_ntop(AF_INET, &(clientaddr.sin_addr.s_addr), ip, sizeof(ip)); printf("client: ip=%s, port=%d \n", ip, port); #if 1 //使用getsockname来获取本地服务器的IP /* getsockname返回参数sockfd指定的本地IP和端口， 当套接字的地址与INADDR_ANY绑定时，除非使用connect或accept，否则函数将不返回本地IP的任何信息，但是端口号可以返回，这在双连接时会有所意义 */ struct sockaddr_in server_addr; socklen_t serv_len = sizeof(server_addr); getsockname(new_client_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, &serv_len); char serv_ip[20] = {0}; inet_ntop(AF_INET, &server_addr.sin_addr, serv_ip, sizeof(serv_ip)); printf("server IP (%s)\n", serv_ip); #endif pid_t pid = fork(); if(pid < 0){ continue; }else if(0 == pid){ // child process close(server_local_fd); printf("server goes to read... \n"); int bytes_read_done = read(new_client_fd, client_commu_recv_data_buf, sizeof(client_commu_recv_data_buf)); printf("bytes_read_done = %d \n", bytes_read_done); // sleep(10); printf("strlen(client_commu_send_data_buf) = %d \n", strlen(client_commu_send_data_buf)); int bytes_write_done = write(new_client_fd, client_commu_send_data_buf, strlen(client_commu_send_data_buf)); printf("bytes_write_done = %d \n", bytes_write_done); if(bytes_write_done < 0){ if(errno == EPIPE){ printf("server : write -> EPIPE \n"); close(new_client_fd); exit(0); } } printf("--Server deal this client over! \n"); close(new_client_fd); exit(0); }else{ // parent process close(new_client_fd); } } // the following code will nerver run .... printf("server process end... \n"); close(server_local_fd); return 0; }
.
