自己动手写http服务器(一) -- UNIX C 网络编程

作者: FoolishFlyFox | 来源:发表于2017-07-18 20:59 被阅读243次

系列文章：
自己动手写http服务器(一) -- UNIX C 网络编程
自己动手写http服务器(二) -- http协议分析
 自己动手写http服务器(三) -- 代码实现

该系列参照开源项目 -- Tinyhttpd ;

开源项目 Tinyhttpd 只有500多行的代码，，以C语言进行编写；

linux网络编程预备知识

该文章主要介绍一下如何进行C语言的网络编程，不会全面地涉及所有的网络编程函数库，也不会对所用到函数的某个参数的所有可取值进行列举和解释，原因有二：

c语言中的网络编程库已经存在很久，其参数很多已经废弃，没必要说明；
参数选项、功能可以随时通过查看帮助手册获得；

如果希望全面了解网络编程，可以拜读《Unix网络编程》；

Linux网络编程的步骤

1、创建套接字

就像通过门牌号可以找到某个公司，而通过人名可以将快递准确地交给收件人一样，通过 ip地址可以确定目标主机，通过端口号可以将数据准确地交给目标程序，而 ip地址:端口号 就是我们所说的 套接字；

套接字的创建通过函数 socket ，该函数需要包含头文件 <sys/types.h> 和 <sys/socket.h> ，该函数的声明为：

//作用：创建一个套接字
//参数：
//   domain : 指定通讯协议族，常用的有 ：
//      AF_INET(IPv4通讯)
//      AF_INET6(IPv6通讯)
//      AF_LOCAL(本地通讯)
//   type : 常用的有 ：
//      SOCK_STREAM(有序、可靠、双向、基于连接的字节流，即TCP)
//      SOCK_DGRAM(无连接、不可靠数据报，即UDP)
//   protocol : 通常取0
//返回值
//   成功 : 返回新创建的套接字文件描述符
//   失败 : 返回 -1，错误代码存于 errno 中，通过引入 <errno.h> 可以引入该变量
int socket(int domain, int type, int protocol)

所以，如果希望套接字建立TCP连接，可以通过下面代码创建TCP套接字：

int tcp_fd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);

如果希望套接字建立UDP连接，可以通过下面代码创建UDP套接字：

int udp_fd = socket(AF_INET , SOCK_DGRAM , 0);

2、TCP连接与通讯

无论是tcp还是udp，第一步都需要创建套接字，而之后的操作差异较大，TCP在数据收发前，需要建立连接，而UDP不需要建立连接就可以收发数据。

（1）建立TCP server的步骤

TCP服务器的设置步骤如下：

通过 socket() 系统调用创建一个套接字；
使用 bind() 系统调用将所创建的套接字绑定到指定的端口上；
通过 listen() 将进行端口绑定的套接字进行端口侦听，使客户端能够连接；
通过 accept() 接受客户端的连接，该函数将会被阻塞，直至客户端连接上来；
数据收发 read / write；

注意：如果在bind绑定时，指定端口0，意味着由系统随机选择一个可用端口来绑定；

服务端代码示例：

// file name : server.c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>  //定义了大量系统调用需要使用的类型
#include <sys/socket.h>  //定义了大量套接字所需要的结构体
#include <netinet/in.h>  //与网络相关的结构体及函数

// 该函数将字符串 msg 输出到 stderr，并退出执行
void error(char* msg){
  fprintf(stderr, "%s\n", msg);
  exit(1);
}
int main(int argc , char* argv[]){
  int sockfd;   //保存服务器套接字的文件描述符
  int newsockfd;   //保存与客户端通讯套接字的文件描述符
  int portno;   //保存服务器要绑定的端口号
  int clilen;   //保存client地址的大小，系统调用时需要使用
  int n;   //存放函数read、write的返回值
  char buffer[256];   //服务器将从套接字中读取的字符存入该缓存
  struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr ; //存放服务器、客户端套接字属性
  if(argc < 2) error("Error : no port provided.\n");
  sockfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0); //创建TCP套接字
  if(sockfd < 0) error("Error : fail to open socket");
  memset(&serv_addr , 0 , sizeof(serv_addr));
  portno = atoi(argv[1]) ;  //将输入的第二个参数转换为端口号

  // 配置服务器参数
  serv_addr.sin_family = AF_INET;
  serv_addr.sin_port = htons(portno);
  serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  //本机地址 0

  if(bind(sockfd, (const struct sockaddr*)&serv_addr, 
    sizeof(serv_addr) ) < 0){
    error("Error : binding");
  }
  listen(sockfd, 5);  //进行端口侦听
  clilen = sizeof(cli_addr);
  //阻塞等待客户端的连接
  newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*) &cli_addr, &clilen);
  if(newsockfd < 0){
    error("Error on accept");
  }
  memset(buffer, 0, 256);
  n = read(newsockfd, buffer, 255);
  if(n < 0) error("Error reading from socket");
  printf("client message : %s\n" , buffer);
  n = write(newsockfd, "I got your message", 18);
  if(n < 0)error("Error writing to socket");
  close(newsockfd);
  close(sockfd);
  return 0;
}

说明：什么是文件描述符？

每一个运行的进程都有一个文件描述符表(file descriptor table)，该表中存放了所有指向已经打开的 i/o 流；

当一个进程启动之后，默认将3个指针添加到文件描述符表中，0指向标准输入stdin，1指向标准输出stdout，2指向错误输出stderr；每当有一个文件被打开后，就会有一个入口指针被创建；文件描述符是一个短整型(16 bit)，可以是文件，但不限于文件，也可以是其他能够读写的对象，如套接字、管道、内存块等；

通过 open 函数可以打开一个文件，并返回文件描述符；read 和 write 函数需要传入文件描述符，对指定对象进行读写；

说明：sockaddr_in的作用？

sockaddr_in 是一个包含网络地址的结构体，该结构体在 <netinet/in.h> 头文件中进行定义：

struct sockaddr_in{
  short sin_family;
  u_short sin_port;
  struct in_addr sin_addr;
  char sin_zero[8];
};

其中，in_addr 结构体也定义在 <netinet/in.h> 中,用于存放ip地址：

struct in_addr{
  unsigned long s_addr;
};

该结构体主要用于存放网络相关的属性信息，在 bind 时指定需要绑定的套接字；在 sendto 时指定需要发送到的对象；

（2）建立TCP client的步骤

相对于TCP server 的建立，TCP client 的建立过程较为简单：

通过 socket() 系统调用创建一个套接字；
通过 connect() 系统调用将创建的套接字连接到TCP服务器上；
数据收发；数据收发的方式有很多，其中最简单的方式是使用系统调用 read() 和 write() 进行数据收发；

客户端代码示例：

// file name : client.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

void error(char* msg){
  fprintf(stderr, "%s\n", msg);
  exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]){
  int sockfd, portno, n;
  struct sockaddr_in serv_addr;
  char buffer[256] = {0};

  if(argc < 3){
    // 使用客户端的方式为 ：执行文件名   主机名或IP   端口号
    fprintf(stderr, "usage %s hostname port\n", argv[0]);
    exit(1);
  }
  portno = atoi(argv[2]);
  // 创建套接字
  sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
  if(sockfd == NULL) exit("Error opening socket");
  
  // 设置待连接服务器参数
  memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
  serv_addr.sin_family = AF_INET ;
  serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
  serv_addr.sin_port = htons(portno);
  
  // 连接指定服务器
  if(connect(sockfd, &serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
    error("Error connecting");
  printf("Please enter the massage : ");
  fgets(buffer, 255, stdin);
  // 向服务器发送数据
  n = write(sockfd, buffer, strlen(buffer));
  if(n < 0) error("Error writing to socket");
  memset(buffer, 0, 256);
  // 读取服务器发送过来的数据
  n = read(sockfd, buffer, 255);
  if(n < 0)
    error("Error reading from socket");
  printf("%s\n", buffer);
  return 0;
}

（3）编译与运行

通过命令：

  gcc server.c -o server
  gcc client.c -o client

编译出服务器和客户端程序；先打开 server，指定端口为7777,再打开 client，连接到服务器，即可进行数据通讯，实验结果如下：

TCP通讯

UDP连接与通讯

UDP并不是基于连接的数据通讯，也就是说UDP server 并不通过 accept 接收客户端的连接，而UDP client 也不通过 connect 连接到服务器；

（1）UDP 服务器

要创建UDP服务器需要如下三步：

创建套接字 (socket)
绑定端口 (bind)
数据通讯 (读read / 写write)

与TCP服务器相比，少了 listen 和 accept 两个过程，即建立连接的两个步骤；

下面的代码是一个简单的 “回音” 服务器，即 udp客户端发送的内容将被udp服务器发回：

// file name : udpserver.c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUFLEN 512    //数据缓冲区的大小

void error(const char* message){
  fprintf(stderr, "%s\n", message);
  exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]){
  int server_fd ;
  int recv_len ;   // 保存接收到的数据长度
  char buf[BUFLEN] = {0}; //保存接收到的数据
  struct sockaddr_in si_me, si_other;
  int slen = sizeof(si_other);
  
  if(argc < 2){
    fprintf(stderr, "USAGE : %s  port\n", argv[0]);
    exit(1);
  }
  // 创建套接字，指明使用的是数据包协议
  if((server_fd=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0))==-1){
    error("Error to create socket");
  }
  // 设置服务器参数
  memset(&si_me, 0, sizeof(si_me));
  si_me.sin_family = AF_INET;
  si_me.sin_port = htons( atoi(argv[1]) );  
  si_me.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  // 将udp套接字绑定到指定端口
  if(bind(server_fd, &si_me, sizeof(si_me)) == -1){
    error("Error when bind to port");
  }
  // 循环：接收数据并写回
  while(1){
    memset(buf, 0, BUFLEN);
    printf("Waiting from data ...\n");
    if( (recv_len = recvfrom(server_fd, buf, BUFLEN-1, 0, 
      &si_other, &slen)) == -1){
      error("Error receive from udp client");
    }
    printf("Receive : %s\n", buf);
    if(sendto(server_fd, buf, strlen(buf), 0, &si_other, slen) == -1){
      error("Error send to udp client");
    }
  }
  close(server_fd);
  return 0;
}

（2）UDP客户端

创建UDP客户端需要如下几步：

创建套接字 (socket)
数据通讯 (读recvfrom / 写sendto)

与TCP客户端相比，少了连接 connect 步骤，即不需要建立连接，直接进行数据收发；

下面代码表示将命令行收到的数据通过UDP协议发送给服务器：

// file name : udpclient.c
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

#define BUFLEN 512

void error(const char* message){
  fprintf(stderr, "%s\n", message);
  exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]){
  int clientSocket, portNum, nBytes;
  char buffer[BUFLEN];
  struct sockaddr_in serverAddr;
  socklen_t addr_size;

  if(argc < 3){
    fprintf(stderr, "USAGE : %s  ip  port \n", argv[0]);
    exit(1);
  }
  // 创建客户端套接字
  if((clientSocket = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0))==-1){
    error("Error to create udp socket");
  }

  // 配置连接属性
  serverAddr.sin_family = AF_INET;
  serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
  serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
  memset(serverAddr.sin_zero, '\0', sizeof serverAddr.sin_zero);  
  addr_size = sizeof serverAddr;

  while(1){
    printf("请输入发送数据:");
    fgets(buffer,BUFLEN,stdin);
    nBytes = strlen(buffer) + 1;
    
    /*将命令行收到的数据发送到服务器端*/
    sendto(clientSocket,buffer,nBytes,0,&serverAddr,addr_size);

    /*接收从服务器端发送来的数据*/
    nBytes = recvfrom(clientSocket,buffer,BUFLEN,0,NULL, NULL);
    printf("接收数据: %s\n",buffer);
  }
  return 0;
}

（3）编译与运行

通过命令：

  gcc udpserver.c -o udpserver
  gcc udpclient.c -o udpclient

编译后，udpserver 是 "回声" 服务器， udpclient 是udp数据接收器，实验结果如下：

UDP通讯

参考内容

Sockets Tutorial

Programming udp sockets in C on Linux

UDP made simple

完！

自己动手写http服务器(一) -- UNIX C 网络编程

linux网络编程预备知识

Linux网络编程的步骤

1、创建套接字

2、TCP连接与通讯

（1）建立TCP server的步骤

说明：什么是文件描述符？

说明：sockaddr_in的作用？

（2）建立TCP client的步骤

（3）编译与运行

UDP连接与通讯

（1）UDP 服务器

（2）UDP客户端

（3）编译与运行

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（1） 建立TCP server的步骤

说明：什么是文件描述符？

说明：sockaddr_in的作用？

（2） 建立TCP client的步骤

（3）编译与运行

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（2）UDP客户端

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