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Linux网络通信

Linux C语言实现socket服务器和客户端

一、Socket通信：

含义：Socket 是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把 TCP/IP 层复杂的操作抽象为几个简单的接口，供应用层调用实现进程在网络中的通信。

Socket通信部分接口说明：

线程部分接口说明：

注意：Linux系统中使用线程库，编译时要加-lpthread，例如：gcc server.c -o server -lpthread
 
1. pthread_create()
    功  能：创建线程
    原  型：int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);
    参  数：
            thread：线程的TID号，唯一的
            attr：线程的属性 
            start_routine：任务函数指针，指向的函数类型 ： void *func(void *)  
            arg：传递给任务函数使用的参数  
    返回值：
            成功：0
            失败：错误编号
 
2. pthread_exit()
    功  能：终止调用它的线程并返回一个指向某个对象的指针（常与pthread_join()一起使用）
    原  型：void pthread_exit(void *retval);
    参  数：
            retval：线程的退出状态值 
    返回值：
            无
 
3. pthread_join()
    功  能：以阻塞的方式等待指定的线程结束
    原  型：int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
    参  数：
            thread：等待的线程的TID号
            retval：用户定义的指针，用来存储被等待线程的返回值
    返回值：
            成功：0
            失败：错误编号
             
4. pthread_cancel()
    功  能：线程的取消
    原  型：int pthread_cancel(pthread_t thread);
    参  数：
            thread：取消的线程的TID号
    返回值：
            成功：0
            失败：错误编号

什么是TCP/IP、UDP？

 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
 UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。

Socket是什么呢？

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。你会使用它们吗？已经给我们做了好多的事了，网络间的通信也就简单了许多，但毕竟还是有挺多工作要做的。以前听到Socket编程，觉得它是比较高深的编程知识，但是只要弄清Socket编程的工作原理，神秘的面纱也就揭开了。一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。生活中的场景就解释了这工作原理，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不一定。

     先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束

本地的进程间通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：

• • 消息传递（管道、FIFO、消息队列）   

• • 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）   

• • 共享内存（匿名的和具名的）   

• • 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）

但这些都不是本文的主题！我们要讨论的是网络中进程之间如何通信？首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。

上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭），这些函数我们在后面进行介绍。

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。

1. socket()
    功  能：创建套接字
    原  型：int socket(int domain, int type, int protocol);
    参  数：
            domain：协议族，通常为AF_INET，表示TCP/IP协议
            type：socket类型，如：SOCK_STREAM（指TCP）和SOCK_DGRAM（指UDP）等等
            protocol：套接口所用的协议，一般为0
    返回值：
            成功：socket文件描述符
            失败：-1，并设置errno

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而**socket()**用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

• • domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。

• • type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。

• • protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

2. bind()
    功  能：将套接字和指定的端口相连
    原  型：int bind(int sock_fd, struct sockaddr_in *my_addr, int addrlen);
    参  数：
            sock_fd：socket文件描述符
            my_addr：设置服务器信息的sockaddr_in结构体指针
            addrlen：sockaddr_in结构体的长度
    返回值：
            成功：0
            失败：-1，并设置errno

函数的三个参数分别为：

• • sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

• • addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同

• • 如ipv4对应的是： struct sockaddr_in{
            short int sin_family;         //网络通信网络层协议  AF_INET
            unsigned short int sin_port; //端口
            struct in_addr sin_addr;      //IP地址
            unsigned char sin_zero[8];        //让sockaddr与sockaddr_in两个数据结构保持大小相同而保留的空字节
        };
  struct in_addr {
         uint32_t s_addr;
  };  

• • ipv6对应的是：struct sockaddr_in6 { 
    short int     sin6_family;    
    unsigned short int sin6_port;      
    uint32_t        sin6_flowinfo;  
    struct in6_addr sin6_addr;      
    uint32_t        sin6_scope_id;  
};
struct in6_addr {
unsigned char s6_addr[16];
};

• • addrlen：对应的是地址的长度。

• • 通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

  网络字节序与主机字节序

  主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。网络字节序：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于 这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再 赋给socket。

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

3. connect()
    功  能：连接服务器请求（客户端使用）
    原  型：int connect(int sock_fd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);
    参  数：
            sock_fd：socket文件描述符
            serv_addr：包含远端主机IP地址和端口号的指针
            addrlen：sockaddr_in结构体的长度
    返回值：
            成功：0
            失败：-1，并设置errno
 
4. listen()
    功  能：创建一个套接口并监听申请的连接
    原  型：int listen(int sock_fd, int backlog);
    参  数：
            sock_fd：socket文件描述符
            backlog：请求队列中允许的最大请求数
    返回值：
            成功：0
            失败：-1，并设置errno

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

5. accecpt()
    功  能：接受客户端的服务请求
    原  型：int accept(int sock_fd, struct sockadd_in* addr, int addrlen);
    参  数：
            sock_fd：被监听的socket文件描述符
            addr：包含客户端IP地址和端口号的指针
            addrlen：sockaddr_in结构体的长度
    返回值：
            成功：客户端套接字描述符
            失败：-1，并设置errno

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。

注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

万事具备只欠东风，至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：

• • read()/write()

• • recv()/send()

• • readv()/writev()

• • recvmsg()/sendmsg()

• • recvfrom()/sendto()

6. write()
    功  能：写入数据到fd中
    原  型：ssize_t write(int fd,const void *buf,size_t nbytes);
    参  数：
            fd：socket文件描述符
            buf：字符串数据地址
            nbytes:字符串数据大小
    返回值：
            实际写入的字节数，小于0为写入错误
             
 
6、read()
    功  能：从fd中读取数据
    原  型：ssize_t read(int fd,void *buf,size_t nbyte)
    参  数：
            fd：socket文件描述符
            buf：字符串数据地址
            nbyte:字符串数据大小
    返回值：
            >0: 实际读取的大小
            =0：读到末尾了
            <0：读取错误

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节 数。失败时返回-1，并设置errno变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是 全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示 网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

8、close()
    功  能：关闭套接字
    原  型：int close(sock_fd);
    参  数：
            sock_fd：要关闭的socket文件描述符
    返回值：
            成功：0
            失败：-1

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

• • 客户端向服务器发送一个SYN J

• • 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1

• • 客户端再想服务器发一个确认ACK K+1

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，

• • 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；

• • 另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；

• • 一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；

• • 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

Linux开放指定端口命令

方式一 CentOS：1、开启防火墙 systemctl start firewalld 2、开放指定端口 firewall-cmd --zone=public --add-port=6379/tcp --permanent 命令含义：–zone #作用域 –add-port=6379/tcp #添加端口，格式为：端口/通讯协议 –permanent #永久生效，没有此参数重启后失效 3、重启防火墙 firewall-cmd --reload 4、查看端口号 netstat -ntlp //查看当前所有tcp端口· netstat -ntulp |grep 6379 //查看所有1935端口使用情况·

方式二 开放端口:8080 /sbin/iptables -I INPUT -p tcp --dport 8080 -j ACCEPT

方式三 -A INPUT -m state --state NEW -m tcp -p tcp --dport 8080 -j ACCEPT service iptables restart

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原文始发于微信公众号（SKSEC）：【表哥有话说 第95期】Linux网络通信