C 语言套接字基础

C语言套接字基础

套接字（Socket）是网络编程的核心概念之一，它允许不同计算机之间的进程进行通信。在C语言中，套接字编程通过一组系统调用（如`socket()`、`bind()`、`listen()`、`accept()`、`connect()`、`send()`、`recv()`等）实现网络通信。本文将详细介绍C语言套接字的基础知识，包括套接字类型、通信流程、代码示例及实际应用场景。

套接字简介

套接字是网络通信的端点，用于在网络上发送和接收数据。它可以是面向连接的（如TCP）或无连接的（如UDP）。套接字编程通常涉及以下步骤： 1. 创建套接字（`socket()`） 2. 绑定地址（`bind()`，服务器端） 3. 监听连接（`listen()`，TCP服务器端） 4. 接受连接（`accept()`，TCP服务器端） 5. 发起连接（`connect()`，TCP客户端） 6. 发送和接收数据（`send()`/`recv()`或`write()`/`read()`） 7. 关闭套接字（`close()`）

套接字类型

C语言中常用的套接字类型包括：

• 流式套接字（SOCK_STREAM）：基于TCP协议，提供可靠的、面向连接的通信。
• 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：基于UDP协议，提供无连接的、不可靠的通信。
• 原始套接字（SOCK_RAW）：允许直接访问底层协议（如IP或ICMP），通常用于网络诊断或特殊协议实现。

套接字通信流程

以下是TCP套接字通信的基本流程：

sequenceDiagram participant Client participant Server Client->>Server: socket() Client->>Server: connect() Server->>Server: socket() Server->>Server: bind() Server->>Server: listen() Server->>Client: accept() Client->>Server: send()/write() Server->>Client: recv()/read() Client->>Server: close() Server->>Client: close()

代码示例：TCP客户端与服务器

TCP服务器端代码

以下是一个简单的TCP服务器示例，监听本地端口8080并接收客户端消息：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};

    // 创建套接字
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置套接字选项
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定套接字
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 监听连接
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Server listening on port %d\n", PORT);

    // 接受连接
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
        perror("accept");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 读取客户端数据
    read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("Message from client: %s\n", buffer);

    // 发送响应
    char *response = "Hello from server";
    send(new_socket, response, strlen(response), 0);
    printf("Response sent\n");

    // 关闭套接字
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

TCP客户端代码

以下是一个简单的TCP客户端示例，连接到本地服务器并发送消息：

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

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};

    // 创建套接字
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 将IP地址从字符串转换为网络格式
    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("invalid address");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 连接到服务器
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        perror("connection failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 发送消息
    char *message = "Hello from client";
    send(sock, message, strlen(message), 0);
    printf("Message sent\n");

    // 接收响应
    read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("Server response: %s\n", buffer);

    // 关闭套接字
    close(sock);
    return 0;
}

运行结果

1. 先运行服务器程序，输出：

   Server listening on port 8080
   

2. 再运行客户端程序，服务器端输出：

   Message from client: Hello from client
   Response sent
   

  客户端输出：

   Message sent
   Server response: Hello from server
   

套接字地址结构

在C语言中，套接字地址结构用于存储IP地址和端口信息。常用的结构体是`sockaddr_in`（IPv4）和`sockaddr_in6`（IPv6）。以下是`sockaddr_in`的定义：

struct sockaddr_in {
    short            sin_family;   // 地址族（如AF_INET）
    unsigned short   sin_port;     // 端口号（网络字节序）
    struct in_addr   sin_addr;     // IP地址
    char             sin_zero[8];  // 填充字节
};

struct in_addr {
    unsigned long s_addr;  // IPv4地址（网络字节序）
};

字节序转换

网络字节序是大端序（Big-Endian），而主机字节序可能是大端序或小端序。因此，需要使用以下函数进行转换：

• `htons()`：主机字节序转网络字节序（短整型）
• `htonl()`：主机字节序转网络字节序（长整型）
• `ntohs()`：网络字节序转主机字节序（短整型）
• `ntohl()`：网络字节序转主机字节序（长整型）

例如：

uint16_t port = 8080;
uint16_t network_port = htons(port); // 转换为网络字节序

实际应用场景

套接字编程广泛应用于以下场景： 1. Web服务器：如Apache、Nginx等使用套接字监听HTTP请求。 2. 聊天应用：客户端与服务器通过套接字交换消息。 3. 文件传输：如FTP协议基于套接字实现文件上传和下载。 4. 远程控制：如SSH通过套接字提供安全的远程登录。

常见错误与调试

• 地址已在使用（EADDRINUSE）：端口被占用，可设置`SO_REUSEADDR`选项。
• 连接被拒绝（ECONNREFUSED）：服务器未运行或防火墙阻止。
• 超时（ETIMEDOUT）：网络问题或服务器未响应。

使用`perror()`或`strerror(errno)`可获取错误描述。

总结

套接字是C语言网络编程的基础，掌握套接字编程对于开发网络应用至关重要。本文介绍了套接字的基本概念、通信流程、代码示例及实际应用。通过实践这些示例，读者可以逐步掌握C语言网络编程的核心技术。