--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、使用telnet测试基本服务器功能

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，本文已过长，待补充下图俩知识点：

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