Linux网络编程（利用protobuf）

• 完整代码放在我的github

定义

socket 是计算机网络中用于在节点内发送或接收数据的内部端点。具体来说，它是网络软件(协议栈)中这个端点的一种表示，包含通信协议、目标地址、状态等，是系统资源的一种形式。(转自维基百科)

socket即套接字，能够唯一确定通信双方。（一般是客户端和服务端）
每一个套接字都有唯一的一个编号（对于操作系统来说），称为 文件描述符 。通信过程中的任何操作都需要这个 文件描述符 。

• socket API是位于应用层和传输层之间
  tcpip五层模型.jpg

创建套接字

int socket(int domain, int type, int protocol);

第一个参数：domain 在英文里是“域”的意思。这里约定的是通信方式。

AF 即 Address Family （地址族）

domain取值	含义
AF_UNIX 或 AF_LOCAL	本地通信
AF_INET	IPv4
AF_INET6	IPv6

第二个参数：type，套接字类型。

type取值	含义
SOCK_STREAM	面向字节流，用于 TCP 协议
SOCK_DGRAM	面向数据报，用于 UDP 协议
SOCK_RAW	原始套接字，用于 IP、ICMP 等底层协议

第三个参数：protocol，协议（tcp 或 udp）

protocol取值	含义
IPPROTO_TCP	TCP
IPPROTO_UDP	UDP

• 创建一个套接字
  创建失败返回 -1

int server_sockfd;

server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);//基于IPv4寻址、面向字节流的TCP套接字

确定ip地址、端口号等信息

到这里，我们只是创建了fd，并没有告知ip地址和端口号等信息
这里用到了一个结构体 sockaddr_in （对于 TCP/IPv4）

// /usr/include/netinet/in.h
struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port;                 /* Port number.  */
    struct in_addr sin_addr;            /* Internet address.  */

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
                           __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
                           sizeof (in_port_t) -
                           sizeof (struct in_addr)];
  };

第一个成员是 sin_family 无符号短整型，和 socket() 函数的第一个参数一样

// /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/sockaddr.h
/* POSIX.1g specifies this type name for the `sa_family' member.  */
typedef unsigned short int sa_family_t;

/* This macro is used to declare the initial common members
   of the data types used for socket addresses, `struct sockaddr',
   `struct sockaddr_in', `struct sockaddr_un', etc.  */

#define __SOCKADDR_COMMON(sa_prefix) \
  sa_family_t sa_prefix##family

#define __SOCKADDR_COMMON_SIZE  (sizeof (unsigned short int))

第二个成员是 sin_port 16位无符号短整型，保存端口号。
第三个成员是 sin_addr 类型是 struct in_addr
结构体 struct in_addr 只有一个成员，32位无符号整形， 保存ip地址。

/* Internet address.  */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
  {
    in_addr_t s_addr;
  };

第四个成员是 sin_zero 没有实际意义，填 0 。为了和 struct sockaddr 的长度保持一致。（struct sockaddr 在后面会用到，例如 bind()）

• 确定 struct sockaddr_in 信息

网络字节序是大端格式，而主机字节序不一定（有的是小端，有的是大端）。htons() 从主机字节序到网络字节序

struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in)); // 置 0
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(PORT);  // host to network short 从主机字节序到网络字节序
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 0x00000000
// 这里也可以改为 server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0") 和上面的是一个意思

inet_addr()将点分十进制的ip地址转变为8位16进制的ip地址
INADDR_ANY定义：

// /usr/include/netinet/in.h
#define INADDR_ANY              ((in_addr_t) 0x00000000)

绑定信息到描述符

• 客户端不需要此操作

int bind(int fd, const struct sockaddr * addr, socklen_t addr_len)

• fd描述符
• addr的类型是struct sockaddr * ，而前面定义的结构的类型是struct sockaddr_in，这里需要进行强制类型转换
• addr_len地址结构大小，也就是sizeof(struct sockaddr_in)
  绑定成功返回0，绑定失败返回-1

服务器监听

int listen(int fd, int n)

• fd套接字
• n最大队列长度，大于这个值的请求将被拒绝。可以用常量SOMAXCONN，由系统决定队列的最大长度
  监听成功返回0，监听失败返回-1

等待客户端

int accept(int fd, struct sockaddr * addr, socklen_t * addr_len)

int client_sockfd;
client_sockfd = accept(server_sockfd, NULL, NULL);

• 有客户端连接时才有返回，返回值一个新的fd。

客户端请求建立连接

服务器没有请求连接一说

int connect(int fd, const struct sockaddr * addr, socklen_t addr_len);

struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(PORT);  // host to network short 从主机字节序到网络字节序
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
connect(server_sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in))

• fd需要请求连接的fd

传输数据

recv() 读取数据
send() 发送数据

// 读取数据  对于服务器来说
int buflen;
char buf[BUF_SIZE];
buflen = recv(client_sockfd, buf, BUF_SIZE, 0)

// 发送数据  对于客户端来说
int buflen, retval;
char buf[BUF_SIZE];
buflen = strlen(buf);
retval = send(server_sockfd, buf, buflen, 0)

到这里，网络传输就可以实现了，下面是用protobuf来做网络传输的媒介

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利用protobuf传输数据

prorobuf的安装和使用参考我另一篇文章 安装和使用protobuf
这里也是使用我另一篇文章里的 student 的例子
需要在服务器和客户端引入头文件 student.pb-c.h

关于protobuf在服务端的处理

Student *msg = NULL;
int buflen;
char buf[BUF_SIZE];

do {buflen = recv(client_sockfd, buf, BUF_SIZE, 0); // 收到就返回 哪怕一个字节
    if (buflen > 0) {
        msg = student__unpack(NULL, buflen, buf);  // protobuf 解包
        printf("msg name : %s\n", msg->name);
    } else if (buflen == -1) {
        fprintf(stderr, "Failed to receive bytes from socket %d: %s\n", client_sockfd, strerror(errno));
        exit(-1);
    }
} while (strncasecmp(msg->name, "quit", 4) != 0);

关于protobuf在客户端的处理

int retval;
unsigned int len;
void *buf = NULL;
char tempbuf[BUF_SIZE];
    
Student stu = STUDENT__INIT; // 初始化protobuf (student.pb-c.c 和 student.pb-c.h 里有定义)
stu.name = (char*)malloc(BUF_SIZE);  // stu 里只有一个字段(name)(在.proto文件)
do {
    bzero(stu.name, sizeof(stu.name));
    fgets(tempbuf, sizeof(tempbuf), stdin); // 控制台获取输入
    memcpy(stu.name, tempbuf, strlen(tempbuf)-1);
    len = student__get_packed_size(&stu);  // 算出包大小
    buf = malloc(len);
    student__pack(&stu, buf);  // protobuf 打包
    retval = send(server_sockfd, buf, len, 0);
    if (retval == -1) {
        fprintf(stderr, "Failed to send bytes to socket %d: %s\n", server_sockfd, strerror(errno));
        exit(-1);
    }
    printf("send: %d\n", retval);
} while (strncasecmp(stu.name, "quit", 4) != 0);

编译：
gcc server.c student.pb-c.c -o server -lprotobuf-c
gcc client.c student.pb-c.c -o client -lprotobuf-c

先启动服务端
后启动客户端

local address: 127.0.0.1
lcoal port: 50338
测试  # 这里是输入
send: 8

服务端收到

msg name : 测试

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2020.3.2 17:03 广州