TCP程序设计

使用TCP套接字编程可以实现基于TCP/IP协议的面向连接的通信，它分为服务器端和客户端两部分，其主要实现过程如下图所示：

TCP客户/服务器的套接字函数

１、socket函数：为了执行网络输入输出，一个进程必须做的第一件事就是调用socket函数获得一个文件描述符。

#include <sys/socket.h>
 int socket(int family,int type,int protocol); 　　　
 //返回：非负描述字－－－成功　　　-1－－－失败

第一个参数指明了协议簇，目前支持5种协议簇，最常用的有AF_INET(IPv4协议)和AF_INET6(IPv6协议)；
第二个参数指明套接口类型，有三种类型可选：SOCK_STREAM(字节流套接口)、SOCK_DGRAM(数据报套接口)和SOCK_RAW(原始套接口)；
如果套接口类型不是原始套接口，那么第三个参数就为0。

２、connect函数：当用socket建立了套接口后，可以调用connect为这个套接字指明远程端的地址；如果是字节流套接口，connect就使用三次握手建立一个连接；如果是数据报套接口，connect仅指明远程端地址，而不向它发送任何数据。

#include <sys/socket.h>　　 　 　
 int connect(int sockfd, const struct sockaddr * addr, socklen_t addrlen); 　
 //返回：0－－－成功　　　-1－－－失败

第一个参数是socket函数返回的套接口描述字；第二和第三个参数分别是一个指向套接口地址结构的指针和该结构的大小。
这些地址结构的名字均已“sockaddr_”开头，并以对应每个协议族的唯一后缀结束。以IPv4套接口地址结构为例，它以“sockaddr_in”命名，定义在头文件<netinet/in.h>；以下是结构体的内容：

struct in_addr {
    in_addr_t s_addr;　　 　 /* IPv4地址 */
}; 
struct sockaddr_in {
    uint8_t sin_len; /* 无符号的8位整数 */
    sa_family_t sin_family;
    /* 套接口地址结构的地址簇，这里为AF_INET */
    in_port_t sin_port; /* TCP或UDP端口 */
    struct in_addr sin_addr;
    char sin_zero[8];  
};

3、bind函数：为套接口分配一个本地IP和协议端口，对于网际协议，协议地址是32位IPv4地址或128位IPv6地址与16位的TCP或UDP端口号的组合；如指定端口为0，调用bind时内核将选择一个临时端口，如果指定一个通配IP地址，则要等到建立连接后内核才选择一个本地IP地址。

#include <sys/socket.h> 　
 int bind(int sockfd, const struct sockaddr * server, socklen_t addrlen);
 //返回：0－－－成功　　　-1－－－失败　

第一个参数是socket函数返回的套接口描述字；第二和第第三个参数分别是一个指向特定于协议的地址结构的指针和该地址结构的长度。

4、listen函数：listen函数仅被TCP服务器调用，它的作用是将用sock创建的主动套接口转换成被动套接口，并等待来自客户端的连接请求。

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

第一个参数是socket函数返回的套接口描述字；第二个参数规定了内核为此套接口排队的最大连接个数。由于listen函数第二个参数的原因，内核要维护两个队列：以完成连接队列和未完成连接队列。未完成队列中存放的是TCP连接的三路握手为完成的连接，accept函数是从以连接队列中取连接返回给进程；当以连接队列为空时，进程将进入睡眠状态。

5、accept函数：accept函数由TCP服务器调用，从已完成连接队列头返回一个已完成连接，如果完成连接队列为空，则进程进入睡眠状态。

#include <sys/socket.h> 　　 　 　 　
 int accept(int listenfd, struct sockaddr *client, socklen_t * addrlen);
 //返回：非负描述字－－－成功　　　-1－－－失败

第一个参数是socket函数返回的套接口描述字；第二个和第三个参数分别是一个指向连接方的套接口地址结构和该地址结构的长度；该函数返回的是一个全新的套接口描述字；如果对客户段的信息不感兴趣，可以将第二和第三个参数置为空。

6、write和read函数：当服务器和客户端的连接建立起来后，就可以进行数据传输了，服务器和客户端用各自的套接字描述符进行读/写操作。因为套接字描述符也是一种文件描述符，所以可以用文件读/写函数write()和read()进行接收和发送操作。

（1）write()函数用于数据的发送。

#include <unistd.h> 　　 　 　 　
 int write(int sockfd, char *buf, int len);　
 //返回：非负－－－成功　　　-1－－－失败

参数sockfd是套接字描述符，对于服务器是accept()函数返回的已连接套接字描述符，对于客户端是调用socket()函数返回的套接字描述符；参数buf是指向一个用于发送信息的数据缓冲区；len指明传送数据缓冲区的大小。

（2）read()函数用于数据的接收。

#include <unistd.h> 　　 　 　 　
 int read(int sockfd, char *buf, intlen); 　
 //返回：非负－－－成功　　　-1－－－失败

参数sockfd是套接字描述符，对于服务器是accept()函数返回的已连接套接字描述符，对于客户端是调用socket()函数返回的套接字描述符；参数buf是指向一个用于接收信息的数据缓冲区；len指明接收数据缓冲区的大小。

7、send和recv函数：TCP套接字提供了send()和recv()函数，用来发送和接收操作。这两个函数与write()和read()函数很相似，只是多了一个附加的参数。

（1）send()函数用于数据的发送。

#include <sys/types.h>
#include < sys/socket.h > 　　 　 　 　
 ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags); 　
 //返回：返回写出的字节数－－－成功　　　-1－－－失败

前3个参数与write()相同，参数flags是传输控制标志。

（2）recv()函数用于数据的发送。

#include <sys/types.h>
#include < sys/socket.h > 　　 　 　 　
 ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags); 　
 //返回：返回读入的字节数－－－成功　　　-1－－－失败

前3个参数与read()相同，参数flags是传输控制标志。

参考程序（tcpserver.c）：

Linux下TCP服务器套接字程序，程序运行时服务器等待客户的连接，一旦连接成功，则显示客户的IP地址、端口号，并向客户端发送字符串。执行命令./ tcpserver，观察结果。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
     
#define  PORT 1234
#define  BACKLOG 1
 
int main()
{
    int  listenfd, connectfd;
    struct  sockaddr_in server;
    struct  sockaddr_in client;
    socklen_t  addrlen;
    if((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {
       perror("Creating  socket failed.");
       exit(1);
    }
    int opt =SO_REUSEADDR;
    setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
    bzero(&server,sizeof(server));
    server.sin_family=AF_INET;
    server.sin_port=htons(PORT);
    server.sin_addr.s_addr= htonl (INADDR_ANY);
    if(bind(listenfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) == -1) {
       perror("Binderror.");
       exit(1);
    }   
    if(listen(listenfd,BACKLOG)== -1){  /* calls listen() */
       perror("listen()error
");
       exit(1);
    }
    addrlen =sizeof(client);
    if((connectfd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&addrlen))==-1) {
       perror("accept()error
");
       exit(1);
    }
    printf("Yougot a connection from cient's ip is %s, prot is %d
",inet_ntoa(client.sin_addr),htons(client.sin_port));
    send(connectfd,"Welcometo my server.
",22,0);
    close(connectfd);
    close(listenfd);
    return 0;
}

参考程序（tcpclient.c）：

1、客户根据用户提供的IP地址连接到相应的服务器；
2、服务器等待客户的连接，一旦连接成功，则显示客户的IP地址、端口号，并向客户端发送字符串；
3、客户接收服务器发送的信息并显示。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
     
#define  PORT 1234
#define  BACKLOG 1
 
int main(int argc, char *argv[])
    {
       int  sockfd, num;
       char  buf[MAXDATASIZE];
       struct hostent *he;
       struct sockaddr_in server;
       if (argc!=2) {
           printf("Usage:%s <IP Address>
",argv[0]);
           exit(1);
       }
       if((he=gethostbyname(argv[1]))==NULL){
           printf("gethostbyname()error
");
           exit(1);
       }
       if((sockfd=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))==-1){
           printf("socket()error
");
           exit(1);
       }
       bzero(&server,sizeof(server));
       server.sin_family= AF_INET;
       server.sin_port = htons(PORT);
       server.sin_addr =*((struct in_addr *)he->h_addr);
       if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&server,sizeof(server))==-1){
           printf("connect()error
");
           exit(1);
       }
       if((num=recv(sockfd,buf,MAXDATASIZE,0)) == -1){
          printf("recv() error
");
          exit(1);
       }
       buf[num-1]='';
       printf("Server Message: %s
",buf);
       close(sockfd);
       return 0;
}
    

实验结果：

服务器端：

客户端：