Socket网络编程

本文主要讲解Socket网络编程。
首先介绍socket，包括TCP和UDP通信过程；然后介绍常用的函数；最后编写client-server例子，并进行测试。

文章目录

Socket介绍
- TCP通信过程
- - 服务器端通信过程：
  - 客户端通信过程：
- UDP通信过程
- - 服务器端通信过程：
  - 客户端通信过程：
常用函数介绍
- socket
- - 函数原型
  - 参数介绍
- bind
- - 函数原型
  - 参数介绍
- listen
- - 函数原型
  - 参数介绍
- connect
- - 函数原型
  - 参数介绍
- accept
- - 函数原型
  - 参数介绍
- close
- - 函数原型
  - 参数介绍
- recv
- - 函数原型
  - 参数介绍
- send
- - 函数原型
  - 参数介绍
- recvmsg
- - 函数原型
  - 参数介绍
- sendmsg
- - 函数原型
  - 参数介绍
  - msghdr
  - flag
- setsockopt
- - 函数原型
  - 参数介绍
demo
- 服务端代码
- 客户端代码
- - 测试结果

Socket介绍

C 语言中的 socket 编程是一种用于在网络上进行通信的编程接口。通过 socket，程序可以在不同的计算机之间进行数据交换，实现网络通信的功能。

TCP通信过程

在这里插入图片描述

服务器端通信过程：

创建 Socket：使用 socket() 函数创建一个套接字，指定地址族为 AF_INET，类型为 SOCK_STREAM（表示流式套接字），协议为 IPPROTO_TCP。这一步通常会得到一个套接字描述符。
绑定 Socket：调用 bind() 函数将套接字与服务器所在主机的 IP 地址和端口号绑定。这样服务器就可以监听来自该端口的连接请求。
监听连接请求：使用 listen() 函数开始监听客户端的连接请求，并设置最大连接数。
接受连接：当有客户端发起连接请求时，使用 accept() 函数接受连接，返回一个新的套接字描述符用于与该客户端进行通信。
数据通信：通过新的套接字描述符，使用 send() 和 recv() 函数发送和接收数据。通常在一个循环中进行数据交换，直到通信结束。
关闭连接：通信结束后，关闭新的套接字描述符，释放资源。

客户端通信过程：

创建 Socket：同样使用 socket() 函数创建套接字，地址族为 AF_INET，类型为 SOCK_STREAM，协议为 IPPROTO_TCP。
连接服务器：使用 connect() 函数向服务器发起连接请求，指定服务器的 IP 地址和端口号。
数据通信：连接建立后，使用 send() 和 recv() 函数发送和接收数据，通常也是在一个循环中进行数据交换，直到通信结束。
关闭连接：通信结束后，关闭套接字描述符，释放资源。

UDP通信过程

在这里插入图片描述

服务器端通信过程：

创建 Socket：调用socket()函数创建一个套接字，指定地址族为AF_INET，类型为SOCK_DGRAM（数据报套接字），协议为IPPROTO_UDP。这一步通常会得到一个套接字描述符。
绑定 Socket：使用bind()函数将套接字与服务器所在主机的IP地址和端口号绑定。这样服务器就可以监听来自该端口的数据报。
数据通信：通过绑定的套接字描述符，使用sendto()和recvfrom()函数发送和接收数据报。UDP是无连接的协议，因此每次发送数据时都需要指定目标的IP地址和端口号。
关闭连接：通信结束后，关闭套接字描述符，释放资源。

客户端通信过程：

创建 Socket：同样使用socket()函数创建套接字，地址族为AF_INET，类型为SOCK_DGRAM，协议为IPPROTO_UDP。
数据通信：通过创建的套接字描述符，使用sendto()和recvfrom()函数发送和接收数据报。UDP是无连接的协议，因此每次发送数据时都需要指定目标的IP地址和端口号。
关闭连接：通信结束后，关闭套接字描述符，释放资源。

常用函数介绍

socket

函数原型

创建一个新的套接字，返回一个 int 类型的套接字文件描述符，用于后续的网络连接操作。

#include <sys/socket.h>

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

参数介绍

domain：指定 Socket AF（Address Family，地址族）可选：AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6）

type：指定数据传输方式，可选：
- SOCK_STREAM（面向连接的 TCP）
- SOCK_DGRAM（无连接的 UDP）
- SOCK_RAW（原始 IP 数据包）

protocol：指定具体的传输层协议，可选：
- IPPROTO_TCP
- IPPTOTO_UDP
函数返回值：
- 成功：返回 Socket fd。
- 失败：返回 -1。

bind

函数原型

将套接字与一个本地 IP:Port 绑定。通常用于服务端，以便在本地监听网络连接

#include <sys/socket.h>

int bind(int socket, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数介绍

socket：指定 Server socket 文件描述符。
addr：指定 Server sockaddr 结构体变量，指针类型。
addrlen：指定 addr 变量的大小，使用 sizeof() 计算得出。
函数返回值：
- 成功：返回 0。
- 失败：返回 -1。

listen

函数原型

开始监听来自远程主机的连接请求。通常用于服务器端，在套接字上等待来自客户端的连接请求。

#include <sys/socket.h>

int listen(int socket, int backlog);

参数介绍

socket：指定需要进入监听状态的 Server socket 文件描述符。
backlog：指定请求队列的最大长度，当队列满了之后，就不再接收请求。
函数返回值：
- 成功：返回 0。
- 失败：返回 -1。

connect

函数原型

建立与远程主机的连接。通常用于客户端，以便连接到远程服务器

#include <sys/socket.h>

int connect(int socket, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

参数介绍

socket：指定 Client socket 文件描述符。
serv_addr：指定 Server sockaddr 结构体变量，指针类型。
addrlen：指定 addr 变量的大小，使用 sizeof() 计算得出。
函数返回值：
- 成功：返回 0。
- 失败：返回 -1。

accept

函数原型

接受一个连接请求，返回一个新的、表示客户端的 Socket 文件描述符，作为服务端和客户端之间发送与接收操作的句柄。通常用于服务器端，用于接收客户端的连接请求。

#include <sys/socket.h>

int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数介绍

socket：指定 Server socket 文件描述符。
addr：指定 Client sockaddr 结构体变量，指针类型。
addrlen：指定 addr 变量的大小，使用 sizeof() 计算得出。
函数返回值：
- 成功：返回 Client socket fd。
- 失败：返回 -1。

close

函数原型

关闭套接字连接。

#include <unistd.h>

int close(int fildes);

参数介绍

fd：指定要关闭的 Socket 的文件描述符。
函数返回值：
- 成功：返回0。
- 失败：返回 -1。

recv

函数原型

从套接字接收数据

#include <sys/socket.h>

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

参数介绍

sockfd：指定要接收 TCP 数据的 Socket 文件描述符。
buf：指定接收数据缓冲区的入口地址。
len：指定要接收的数据的 Byte 数目。
flags：指定接收数据时的选项，常设为 0。
函数返回值：
- 成功：返回接收的字节数。
- 失败：返回 -1。

send

函数原型

向套接字发送数据。

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

参数介绍

sockfd：指定要发送 TCP 数据的 Socket 文件描述符。
buf：指定发送数据缓冲区入的口地址。
len：指定要发送数据的 Byte 数目。
flags：指定发送数据时的选项，常设为 0。
函数返回值：
- 成功：返回发送的字节数。
- 失败：返回 -1。

recvmsg

函数原型

#include <sys/socket.h>

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

参数介绍

sock：指定要接收 TCP 或 UDP 数据的 Socket 文件描述符。
msg：指示将接收的数据存储到 msghdr 结构体中。
flags：支持函数的行为，可选 0 或者 MSG_DONTWAIT 等标志位。
函数返回值：
- 成功：返回接收的字节数。
- 失败：返回 -1。

sendmsg

函数原型

#include <sys/socket.h>

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

参数介绍

sock：指定要发送 TCP 或 UDP 数据的 Socket 文件描述符。
msg：指示 msghdr 结构体中包含了要发送的数据、数据长度等信息。
flags：支持函数的行为，可选 0 或者 MSG_DONTWAIT 等标志位。
函数返回值：
- 成功：返回发送的字节数。
- 失败：返回 -1。

msghdr

struct msghdr {
    /* 指定接收或发送数据的对端地址，可以为 NULL 或 0，表示不需要使用对端地址。*/
    void         *msg_name;       /* optional address */
    socklen_t     msg_namelen;    /* size of address */

    /* 指定接收或发送数据的缓冲区和缓冲区大小，可以使用多个缓冲区同时接收或发送数据。*/
    struct iovec *msg_iov;        /* scatter/gather array */
    size_t        msg_iovlen;     /* # elements in msg_iov */

 /* 指定一些附加的控制信息，可以为 NULL 或 0。*/
    void         *msg_control;    /* ancillary data, see below */
    size_t        msg_controllen; /* ancillary data buffer len */

 /* 指定函数的行为，例如是否需要接收带外数据等。*/
    int           msg_flags;      /* flags on received message */
};

flag

MSG_PEEK：允许从接收队列中查看数据而不将其删除。这意味着，如果接收队列中有数据，recv() 函数将返回数据的一个副本，但是该数据仍将留在接收队列中。这对于查看接收队列中的数据而不实际处理它们非常有用。此外，使用 MSG_PEEK 选项，我们可以检查套接字缓冲区中是否有足够的数据可供读取，以便稍后调用 recv() 函数。
MSG_WAITALL：如果套接字缓冲区中没有足够的数据，则 recv() 函数将一直等待，直到收到请求的数据量。
MSG_DONTWAIT：指定此标志后，recv() 函数将立即返回，即使没有收到数据也不会阻塞。如果没有数据可用，则 recv() 将返回 -1，并将 errno 设置为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。
MSG_OOB：用于处理带外数据，即紧急数据。带外数据不遵循正常的传输控制协议（如 TCP），可以使用此标志将其标记为紧急数据并将其与其他数据分开处理。
MSG_TRUNC：如果接收缓冲区中的数据比接收缓冲区长度长，则截断数据并返回。
MSG_CTRUNC：如果接收缓冲区中的控制消息（例如带外数据或错误消息）比接收缓冲区长度长，则截断消息并返回。

setsockopt

函数原型

设置socket选项值

#include <sys/socket.h>

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

参数介绍

sockfd：指定 socket fd。
level：指定选项的协议层，可选 SOL_SOCKET、IPPROTO_TCP、IPPROTO_IP 等。
optname：指定要设置的选项名。
- SO_REUSEADDR：int 类型，表示重用 IP 地址。
- SO_KEEPALIVE：int 类型，用于启用/禁用 Keepalive（保持连接）功能。
- SO_LINGER：struct linger 类型，用于指定关闭套接字时的行为。
- TCP_NODELAY：int 类型，用于禁用 Nagle 算法，从而实现数据的实时传输。
optval：指定存放选项值的缓冲区入口。
optlen：指定选项值缓冲区的长度。
函数返回值：
- 成功：0。
- 失败：-1，并设置了 errno 错误码。

demo

服务端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define PORT 8888
#define MAXLINE 1024

int main() {
    int sockfd, connfd;
    char buffer[MAXLINE];
    struct sockaddr_in servaddr, cli;

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 创建TCP套接字
    if (sockfd == -1) {
        printf("socket creation failed");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    // 设置服务器地址结构
    servaddr.sin_family = AF_INET; // IPv4
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定服务器套接字
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) != 0) {
        printf("socket bind failed");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    // 监听连接
    if (listen(sockfd, 5) != 0) {
        printf("listen failed");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    socklen_t len = sizeof(cli);

    // 接受连接
    connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cli, &len);
    if (connfd < 0) {
        printf("server accept failed");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    // 读取客户端消息
    ssize_t num = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer),0);
    if (num < 0){
        printf("read data from client fail, num=%ld\n", num);
        return EXIT_FAILURE;
    }
    printf("Client message: %s, size: %ld\n", buffer, num);

    char * data = "hello world";
    // 发送消息给客户端
    num = send(connfd, data, strlen(data),0);
    if (num < 0){
        printf("write data to client fail, num=%ld\n", num);
        return EXIT_FAILURE;
    }
    // 关闭连接
    close(sockfd);
    return 0;
}

客户端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define PORT 8888
#define MAXLINE 1024

int main() {
    int sockfd;
    char buffer[MAXLINE];
    struct sockaddr_in servaddr;

    // 创建TCP套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        printf("socket creation failed\n");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    // 设置服务器地址结构
    servaddr.sin_family = AF_INET; // IPv4
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    // 连接服务器
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) != 0 ) {
        printf("connection with server failed\n");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    char *data = "client send data";
    // 发送消息给服务器
    ssize_t num = send(sockfd, data, strlen(data),0);
    if (num < 0 )
    {
        printf("write data to server fail\n");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    // 读取服务器响应
    num = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer),0);
    if (num < 0 )
    {
        printf("read data from client fail\n");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    printf("Server response: %s\n", buffer);

    // 关闭连接
    close(sockfd);
    return 0;
}