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C++网络编程(一)本地socket通信

C++网络编程(一) socket通信

前言

本次内容简单描述C++网络通信中，采用socket连接客户端与服务器端的方法，以及过程中所涉及的函数概要与部分函数使用细节。记录本人C++网络学习的过程。

网络通信的Socket

socket,即“插座”,在网络中译作中文“套接字”,应用于计算机网络建立起数据连接。基于TCP/IP协议进行通信，将本地的ip地址与端口号相结合。两个程序可以通过各自的socket建立一个通道用于数据传输。

socket提供多种机制以供选择，但常用的一般为两种，即SOCK_STREAM(流)和SOCK_DGRAM(数据报)。

流socket基于TCP协议，其建立的通道是一个具有有序、可靠、全双工的字节流。

数据报socket基于UDP协议，其建立的通道传送数据是不可靠的，尽最大努力交付的，但传输速度较快。

目前在网络中使用的数据传送基本是基于TCP协议。

网络通信基本过程

请添加图片描述

首先建立起服务端，在服务端中采用socket()构建方法，建立服务端响应socket，其主要作用是用于接收由客户端socket发起的建立请求。随后bind()将创建的响应socket与本地的ip地址及设置的端口绑定。listen()为响应socket设置被动监听状态，监听客户端发来的建立请求。accept()代表一切就绪，此时服务器程序运行进入阻塞状态，等待客户端程序发来请求。

客户端中同样需要先建立起客户端socket，该socket所采用的协议应当与服务器端socket相同。客户端socket不需要绑定本地ip与端口，但应当指明所连接的服务器端的ip地址与端口号，通过connet()主动发起连接请求，与服务器端socket相连。

服务器端accept()程序收到客户端socket发来的请求后，会立即创建一个新的服务socket，与客户端的socket相对应，用于数据的收发与传送。即，服务器端会有两个socket，而客户端仅有一个socket。

当双方数据交互结束后，各自调用close()，释放掉本地的socket。

代码示例

//server.cpp
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<cerrno>

#define MY_PORT 1234//端口号
#define BUF_SIZE 1024//最大缓存
#define QUEUE 20//最大连接数

int main(){
    int server_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//建立响应socket

    struct sockaddr_in server_sockaddr;//保存本地地址信息
    server_sockaddr.sin_family = AF_INET;//采用ipv4
    server_sockaddr.sin_port = htons(MY_PORT);//指定端口
    server_sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//获取主机接收的所有响应

    if(bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&server_sockaddr,sizeof(server_sockaddr))==-1){//绑定本地ip与端口
        perror("Bind Failure\n");
        printf("Error: %s\n",strerror(errno));//输出错误信息
        return -1;
    }
    printf("Listen Port : %d\n",MY_PORT);
    if(listen(server_sockfd,QUEUE) == -1){//设置监听状态
        perror("Listen Error");
        return -1;
    }
    char buffer[BUF_SIZE];//一次传输的数据缓存
    struct sockaddr_in client_addr;//保存客户端地址信息
    socklen_t length = sizeof(client_addr);//需要的内存大小

    printf("Waiting for connection!\n");

    int connect_fd = accept(server_sockfd,(struct sockaddr *)&client_addr,&length);//等待连接，返回服务器端建立连接的socket
    if(connect_fd == -1){//连接失败
        perror("Connect Error");
        return -1;
    }
    printf("Connection Successful\n");
    while(1){//数据收发与传输
        memset(buffer,0,sizeof(buffer));
        int len = recv(connect_fd,buffer,sizeof(buffer),0);//接收数据
        // input "exit" or runtime error
        if(strcmp(buffer,"exit\n")==0 ||len <= 0) break;
        printf("client send message: %s",buffer);
        strcpy(buffer,"successful");
        send(connect_fd,buffer,strlen(buffer),0);//发送数据
        printf("send message: %s\n",buffer);
    }
    close(connect_fd);//关闭数据socket
    close(server_sockfd);//关闭响应socket
    return 0;
}

//client.cpp
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<cerrno>

#define MY_PORT 1234
#define BUF_SIZE 1024
#define SERVER_IP "127.0.0.1"//服务端ip,这里是本机

int main(){

    int client_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//建立客户端socket

    struct sockaddr_in servaddr;//保存服务器端地址信息
    memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;//ipv4协议
    servaddr.sin_port = htons(MY_PORT);//端口
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);//ip地址

    printf("connect to %s:%d\n",SERVER_IP,MY_PORT);
    int connect_fd = connect(client_sockfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr));//建立连接
    if(connect_fd<0){
        perror("Connect Error");
        _exit(1);
    }
    printf("Connect Successful\n");
    char sendbuf[BUF_SIZE];
    char recvbuf[BUF_SIZE];
    while(fgets(sendbuf,sizeof(sendbuf),stdin) != NULL){//数据传送
        memset(recvbuf,0,sizeof(recvbuf));
        printf("send message:%s",sendbuf);
        send(client_sockfd,sendbuf,strlen(sendbuf),0);
        if(strcmp(sendbuf,"exit\n")==0) break;
        int len = recv(client_sockfd,recvbuf,sizeof(recvbuf),0);
        if(len<=0){
            printf("receive failure");
            break;
        }
        printf("recv message:%s\n",recvbuf);
        memset(sendbuf,0,sizeof(sendbuf));
    }
    close(client_sockfd);//关闭客户端socket
    return 0;
}

函数分析

主机字节序和网络字节序

主机字节序即在计算机内部存储数据的格式，通常为小端序，即低地址存放低字节的内容，比如说一个ipv4的地址，当其作为数字存储时，一共需要四个字节来保存值，对于"127.0.0.1"来说，主机字节序中，最低位的字节保存了127，最高位则是1。

网络字节序是TCP/IP中规定好的一种数据格式，采用大端序，即高地址存放低字节的内容，同样对于"127.0.0.1"来说，网络字节序中，最低位的字节保存了1，最高位则是127。

字节地址0123
主机字节序01111111000000000000000000000001
网络字节序00000001000000000000000001111111
#include <netinet/in.h>
unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong);//主机转网络
unsigned short int htons(unsigned short int hostshort);
unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong);//网络转主机
unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort);

htonl表示host to network long，依次类推

INADDR_ANY其值为"0.0.0.0"，其意义便是不监听特定的ip,而接收所有通过指定端口发送至本机的信号。

Socket地址

通用地址
#include <bits/socket.h>//<sys/socket.h>头文件包含了此头
struct sockaddr
{
    sa_family_t sa_family; //地址族类型
    char sa_data[14]; //地址值
}
专用地址

TCP/IP协议族有sockaddr_in和sockaddr_in6两个专用socket地址结构体，它们分别用于IPv4和IPv6，此处仅列述IPv4。

#include <netinet/in.h>
struct sockaddr_in
{
    sa_family_t sin_family;/*地址族：AF_INET*/
    u_int16_t sin_port;/*端口号，要用网络字节序表示*/
    struct in_addr sin_addr;/*IPv4地址结构体，见下面*/
    unsigned char sin_zero[8];/*为了保持与struct sockaddr长度相同*/
};

struct in_addr
{
    u_int32_t s_addr;/*IPv4地址，要用网络字节序表示*/
};

在实际使用时，sockaddr_in需要转化为通用socket地址类型sockaddr（强制转换即可），因为所有socket编程接口使用的地址参数的类型都是sockaddr。

IP地址转换

#include <arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char* strptr);
int inet_aton(const char* cp,struct in_addr* inp);
char* inet_ntoa(struct in_addr in);

inet_addr函数将用点分十进制字符串表示的IPv4地址转化为用网络字节序整数表示的IPv4地址。它失败时返回INADDR_NONE。

inet_aton函数完成和inet_addr同样的功能，但是将转化结果存储于参数inp指向的地址结构中。它成功时返回1，失败则返回0。

inet_ntoa函数将用网络字节序整数表示的IPv4地址转化为用点分十进制字符串表示的IPv4地址。但需要注意的是，该函数内部用一个静态变量存储转化结果，函数的返回值指向该静态内存，因此inet_ntoa是不可重入的。

注：以上函数仅用于IPv4的地址转换。

创建socket

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain,int type,int protocol);
/*
domain参数:告诉系统使用哪个底层协议族
type参数:指定服务类型
protocol参数:在前两个参数构成的协议集合下，再选择一个具体的协议
*/

参数通常取值：

domain：PF_INET（Protocol Family of Internet，用于IPv4）、PF_INET6（用于IPv6）

type：SOCK_STREAM(流，TCP)、SOCK_DGRAM(数据报，UDP)

protocol：0(默认协议)

当socket系统调用成功时返回一个socket文件描述符，失败则返回-1并设置errno。

绑定IP地址和端口

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen);

bind将my_addr所指的socket地址分配给未命名的sockfd文件描述符，addrlen参数指出该socket地址的长度。

bind成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。其中两种常见的errno是EACCES和EADDRINUSE，它们的含义分别是：

  • EACCES，被绑定的地址是受保护的地址，仅超级用户能够访问。比如普通用户将socket绑定到知名服务端口（端口号为0～1023）上时，bind将返回EACCES错误。
  • EADDRINUSE，被绑定的地址正在使用中。比如将socket绑定到一个处于TIME_WAIT状态的socket地址。

监听socket

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
/*
sockfd: 指定被监听的socket
backlog: 设置内核监听队列的最大长度
*/

监听队列:即处于向服务端socket发出连接请求，但TCP建立三次握手中尚未进行第二次握手的序列。

监听队列的长度如果超过backlog，服务器将不受理新的客户连接，客户端也将收到ECONNREFUSED错误信息。

listen成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。

注：listen()函数执行成功后，客户端发来连接请求，在经过listen后，TCP的三次握手已经完成，建立了连接。

接收连接

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);
/*
sockfd:是执行过listen系统调用的监听socket
addr:用来获取被接受连接的远端socket地址
addrlen:指出远程socket的长度
返回值:一个新的连接socket
*/

函数调用成功返回的socket唯一地标识了被接受的这个连接，服务器可通过读写该socket来与被接受连接对应的客户端通信。

调用失败则返回-1并设置errno。

发起连接

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

sockfd参数由socket系统调用返回一个socket。serv_addr参数是服务器监听的socket地址，addrlen参数则指定这个地址的长度。

connect成功时返回0。一旦成功建立连接，sockfd就唯一地标识了这个连接，客户端就可以通过读写sockfd来与服务器通信。connect失败则返回-1并设置errno。其中两种常见的errno是ECONNREFUSED和ETIMEDOUT，它们的含义如下：

  • ECONNREFUSED，目标端口不存在，连接被拒绝。
  • ETIMEDOUT，连接超时。

关闭连接

#include <unistd.h>
int close(int fd);//fd是待关闭的socket

close系统调用并非总是立即关闭一个连接，而是将fd的引用计数减1。只有当fd的引用计数为0时，才真正关闭连接。类似于Linux系统中的硬链接数。比方说在多进程程序中，父进程和子进程都对一个socket操作，只有在所有进程中都调用close()关闭该socket，该socket才会被关闭。

有一个函数可以立即终止连接：

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

sockfd参数是待关闭的socket。howto参数决定了shutdown的行为，可取值如下：

  • SHUT_RD 关闭读
  • SHUT_WR 关闭写
  • SHUT_RDWR 关闭读写

数据读写

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
ssize_t send(int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags);

此处函数仅针对TCP流数据读写，对UDP数据报的读写暂且不表。

recv读取sockfd上的数据，buf和len参数分别指定读缓冲区的位置和大小，flags通常设置为0即可。recv成功时返回实际读取到的数据的长度，它可能小于我们期望的长度len。因此我们可能要多次调用recv，才能读取到完整的数据。recv可能返回0，这意味着通信对方已经关闭连接了。recv出错时返回-1并设置errno。

send往sockfd上写入数据，buf和len参数分别指定写缓冲区的位置和大小。send成功时返回实际写入的数据的长度，失败则返回-1并设置errno。

网络信息API

#include <netdb.h>
struct hostent*gethostbyname(const char* name);//name:指定目标主机的主机名
struct hostent*gethostbyaddr(const void* addr, size_t len, int type);
/*
addr：指定目标主机的IP地址
len：指定addr所指IP地址的长度
type：指定addr所指IP地址的类型(AF_INTE、AF_INET6)
*/

struct hostent
{
    char* h_name;/*主机名*/
    char** h_aliases;/*主机别名列表，可能有多个*/
    int h_addrtype;/*地址类型（地址族）*/
    int h_length;/*地址长度*/
    char** h_addr_list;/*按网络字节序列出的主机IP地址列表（数字形式，不是点分十进制）*/
};

gethostbyname函数根据主机名称获取主机的完整信息，gethostbyaddr函数根据IP地址获取主机的完整信息。gethostbyname函数通常先在本地的/etc/hosts配置文件中查找主机，如果没有找到，再去访问DNS服务器。

//示例
struct hostent *res = gethostbyname("www.baidu.com");
if (res)
{
    for (int i = 0; res->h_addr_list[i]; i++)
        printf("IP addr %d: %s\n", i + 1, 
        inet_ntoa(*(struct in_addr *)res->h_addr_list[i]));
}

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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