UNIX網絡編程：TCP回射服務器/客戶端程序

下面通過最簡單的客戶端/服務器程序的實例來學習socket API。

serv.c 程序的功能是從客戶端讀取字符然後直接回射回去：

#include<stdio.h>  
#include<sys/types.h>  
#include<sys/socket.h>  
#include<unistd.h>  
#include<stdlib.h>  
#include<errno.h>  
#include<arpa/inet.h>  
#include<netinet/in.h>  
#include<string.h>  
      
#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)  
      
      
int main(void)  
{  
    int listenfd; //被動套接字(文件描述符），即只可以accept  
    if ((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)  
        //  listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)  
        ERR_EXIT("socket error");  
      
    struct sockaddr_in servaddr;  
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));  
    servaddr.sin_family = AF_INET;  
    servaddr.sin_port = htons(5188);  
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
    /* servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); */
    /* inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); */
      
    int on = 1;  
    if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)  
        ERR_EXIT("setsockopt error");  
      
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)  
        ERR_EXIT("bind error");  
      
    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0) //listen應在socket和bind之後，而在accept之前  
        ERR_EXIT("listen error");  
      
    struct sockaddr_in peeraddr; //傳出參數  
    socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr); //傳入傳出參數，必須有初始值  
    int conn; // 已連接套接字(變為主動套接字，即可以主動connect)  
    if ((conn = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen)) < 0)  
        ERR_EXIT("accept error");  
    printf("recv connect ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr),ntohs(peeraddr.sin_port));  
    struct sockaddr_in localaddr;  
    char serv_ip[20];  
    socklen_t local_len = sizeof(localaddr);  
    memset(&localaddr, 0, sizeof(localaddr));  
    if( getsockname(conn,(struct sockaddr *)&localaddr,&local_len) != 0 )  
        ERR_EXIT("getsockname error");  
    inet_ntop(AF_INET, &localaddr.sin_addr, serv_ip, sizeof(serv_ip));  
    printf("host %s:%d\n", serv_ip, ntohs(localaddr.sin_port));   
      
    char recvbuf[1024];  
    while (1)  
    {  
        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));  
        int ret = read(conn, recvbuf, sizeof(recvbuf));  
        fputs(recvbuf, stdout);  
        write(conn, recvbuf, ret);  
    }  
      
    close(conn);  
    close(listenfd);  
      
    return 0;  
}

查看本欄目更多精彩內容：http://www.bianceng.cn/OS/unix/

cli.c 的作用是從標准輸入得到一行字符，然後發送給服務器後從服務器接收，再打印在標准輸出：

#include<stdio.h>  
#include<sys/types.h>  
#include<sys/socket.h>  
#include<unistd.h>  
#include<stdlib.h>  
#include<errno.h>  
#include<arpa/inet.h>  
#include<netinet/in.h>  
#include<string.h>  
      
      
#define ERR_EXIT(m) \  
    do { \  
        perror(m); \ 
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)  
      
      
      
      
int main(void)  
{  
    int sock;  
    if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)  
        //  listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)  
        ERR_EXIT("socket error");  
      
      
    struct sockaddr_in servaddr;  
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));  
    servaddr.sin_family = AF_INET;  
    servaddr.sin_port = htons(5188);  
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  
    /* inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); */
      
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)  
        ERR_EXIT("connect error");  
    struct sockaddr_in localaddr;  
    char cli_ip[20];  
    socklen_t local_len = sizeof(localaddr);  
    memset(&localaddr, 0, sizeof(localaddr));  
    if( getsockname(sock,(struct sockaddr *)&localaddr,&local_len) != 0 )  
        ERR_EXIT("getsockname error");  
    inet_ntop(AF_INET, &localaddr.sin_addr, cli_ip, sizeof(cli_ip));  
    printf("host %s:%d\n", cli_ip, ntohs(localaddr.sin_port));   
      
    char sendbuf[1024] = {0};  
    char recvbuf[1024] = {0};  
    while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)  
    {  
      
        write(sock, sendbuf, strlen(sendbuf));  
        read(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf));  
      
      
        fputs(recvbuf, stdout);  
      
        memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));  
        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));  
    }  
      
      
    close(sock);  
      
      
    return 0;  
}

由於客戶端不需要固定的端口號，因此不必調用bind()，客戶端的端口號由內核自動分配。注意，客戶端不是不允許調用bind()，只是沒有必要調用bind()固定一個端口號，服務器也不是必須調用bind()，但如果服務器不調用bind()，內核會自動給服務器分配監聽端口，每次啟動服務器時端口號都不一樣，客戶端要連接服務器就會遇到麻煩。

查看本欄目更多精彩內容：http://www.bianceng.cn/OS/unix/

先編譯運行服務器：

huangcheng@ubuntu:~$./serv

然後在另一個終端裡用netstat命令查看：

huangcheng@ubuntu:~$ netstat -anp | grep 5188  
（並非所有進程都能被檢測到，所有非本用戶的進程信息將不會顯示，如果想看到所有信息，則必須切換到 root 用戶）  
tcp        0      0 0.0.0.0:5188            0.0.0.0:*               LISTEN      2998/serv

可以看到server程序監聽5188端口，IP地址還沒確定下來。現在編譯運行客戶端：

huangcheng@ubuntu:~$ ./cli

回到server所在的終端，看看server的輸出：

huangcheng@ubuntu:~$ ./serv  
recv connect ip=127.0.0.1 port=42107

可見客戶端的端口號是自動分配的。再次netstat 一下：

huangcheng@ubuntu:~$ netstat -anp | grep 5188  
（並非所有進程都能被檢測到，所有非本用戶的進程信息將不會顯示，如果想看到所有信息，則必須切換到 root 用戶）  
tcp        0      0 0.0.0.0:5188            0.0.0.0:*               LISTEN      2998/serv     
tcp        0      0 127.0.0.1:5188          127.0.0.1:42107         ESTABLISHED 2998/serv     
tcp        0      0 127.0.0.1:42107         127.0.0.1:5188          ESTABLISHED 3198/cli

應用程序中的一個socket文件描述符對應一個socket pair，也就是源地址:源端口號和目的地址:目的端口號，也對應一個TCP連接。

上面第一行即serv.c 中的listenfd；第二行即serv.c 中的sock; 第三行即cli 中的conn。2998和3198分別是進程id。

現在來做個測試，先serv.c中的把33～35行的代碼注釋掉。

首先啟動server，然後啟動client，然後用Ctrl-C使server終止，這時馬上再運行server，結果是：

huangcheng@ubuntu:~$ ./serv  
bind error: Address already in use

這是因為，雖然server的應用程序終止了，但TCP協議層的連接並沒有完全斷開，因此不能再次監聽同樣的server端口。我們用netstat命令查看一下：

huangcheng@ubuntu:~$ netstat -anp | grep 5188  
（並非所有進程都能被檢測到，所有非本用戶的進程信息將不會顯示，如果想看到所有信息，則必須切換           到 root 用戶）  
tcp        0      0 127.0.0.1:5188          127.0.0.1:42108         FIN_WAIT2   -                        
tcp        1      0 127.0.0.1:42108         127.0.0.1:5188          CLOSE_WAIT  3260/cli

server終止時，socket描述符會自動關閉並發FIN段給client，client收到FIN後處於CLOSE_WAIT狀態，但是client並沒有終止，也沒有關閉socket描述符，因此不會發FIN給server，因此server的TCP連接處於FIN_WAIT2狀態。

現在用Ctrl-C把client也終止掉，再觀察現象：

huangcheng@ubuntu:~$ netstat -anp | grep 5188  
（並非所有進程都能被檢測到，所有非本用戶的進程信息將不會顯示，如果想看到所有信息，則必須切換到 root 用戶）  
tcp        0      0 127.0.0.1:5188          127.0.0.1:42108         TIME_WAIT   -

huangcheng@ubuntu:~$ ./serv  
bind error: Address already in use

client終止時自動關閉socket描述符，server的TCP連接收到client發的FIN段後處於TIME_WAIT狀態。TCP協議規定，主動關閉連接的一方要處於TIME_WAIT狀態，等待兩個MSL（maximumsegment lifetime）的時間後才能回到CLOSED狀態，需要有MSL 時間的主要原因是在這段時間內如果最後一個ack段沒有發送給對方，則可以重新發送。因為我們先Ctrl-C終止了server，所以server是主動關閉連接的一方，在TIME_WAIT期間仍然不能再次監聽同樣的server端口。MSL在RFC1122中規定為兩分鐘，但是各操作系統的實現不同，在Linux上一般經過半分鐘後就可以再次啟動server了。至於為什麼要規定TIME_WAIT的時間請大家參考UNP 2.7節。

在server的TCP連接沒有完全斷開之前不允許重新監聽是不合理的，因為，TCP連接沒有完全斷開指的是connfd（127.0.0.1:5188）沒有完全斷開，而我們重新監聽的是listenfd（0.0.0.0:5188），雖然是占用同一個端口，但IP地址不同，connfd對應的是與某個客戶端通訊的一個具體的IP地址，而listenfd對應的是wildcard address。解決這個問題的方法是使用setsockopt()設置socket描述符的選項SO_REUSEADDR為1，表示允許創建端口號相同但IP地址不同的多個socket描述符。將原來注釋的33～35行代碼打開，問題解決。

先運行服務器，在運行客戶端：

huangcheng@ubuntu:~$ ./serv  
recv connect ip=127.0.0.1 port=42107  
host 127.0.0.1:5188  
huangcheng  
ctt

huangcheng@ubuntu:~$ ./cli  
host 127.0.0.1:42107  
huangcheng  
huangcheng  
ctt  
ctt