Linux30 网络编程TCP流程

5.Socket网络编程

5.1Socket 核心概念

1. 什么是 Socket？

Socket 是 “IP 地址 + 端口号 + 传输协议” 的组合，唯一标识网络中的一个通信进程（比如 “192.168.1.100:8080/TCP” 对应电脑上的某个服务程序）。

类比：Socket 就像 “电话”，IP 地址是 “电话号码”，端口号是 “分机号”，传输协议（TCP/UDP）是 “通话规则”。

5.2Socket编程流程

5.2.1 TCP 编程流程（面向连接，可靠传输）

TCP 需先建立连接（三次握手），再传输数据，最后断开连接（四次挥手），流程类似 “打电话”：

服务端（被动监听，等待客户端连接）

1. 创建 Socket：创建 TCP 类型的 Socket 端点。

1. 绑定地址（bind）：将 Socket 与 “IP 地址 + 端口号” 绑定（确定服务端的通信地址）。

1. 监听连接（listen）：将 Socket 设为 “监听模式”，等待客户端连接。

1. 接受连接（accept）：阻塞等待客户端连接，连接成功后返回新的 Socket（用于与该客户端通信）。

1. 收发数据（read/send）：通过新 Socket 与客户端双向传输数据。

1. 关闭连接（close）：通信结束后，关闭 Socket 释放资源。

客户端（主动发起连接）

1. 创建 Socket：创建 TCP 类型的 Socket 端点。

1. 连接服务端（connect）：主动向服务端的 “IP + 端口” 发起连接。

1. 收发数据（read/send）：连接成功后，与服务端双向传输数据。

1. 关闭连接（close）：通信结束后，关闭 Socket。

服务端：socket() → bind() → listen() → accept() → read()/write() → close()↑客户端：socket() → connect() → read()/write() → close()

5.3TCP连接函数详解

5.3.1创建套接字socket函数

函数功能：创建一个用于网络通信的套接字（Socket），返回套接字描述符（类似文件描述符，用于后续网络操作）。

参数	取值与含义
domain	协议族，如AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）、AF_UNIX（本地进程间通信）
type	套接字类型，如SOCK_STREAM（流式，TCP）、SOCK_DGRAM（数据报，UDP）
protocol	协议，通常为 0（表示使用type对应的默认协议，如SOCK_STREAM默认 TCP）

• 成功：返回非负套接字描述符（用于bind、connect等后续操作）。

• 失败：返回 - 1，可通过errno查看错误原因。

Socket 类型	对应协议	特点	适用场景
SOCK_STREAM	TCP	面向连接、可靠传输、字节流、无边界	网页、文件传输、登录验证（需确保数据完整）
SOCK_DGRAM	UDP	无连接、不可靠、数据报（有边界）	视频、语音、实时游戏（允许少量丢包，追求速度）

5.3.2绑定套接字与地址bind函数

函数功能：将套接字描述符sockfd与指定的网络地址addr绑定，使套接字能通过该地址接收网络请求（服务器端必须调用，客户端通常可选）。

• 成功：返回 0。

• 失败：返回 - 1，可通过errno查看错误原因（如地址已被占用、权限不足等）

参数	含义与要求
sockfd	套接字描述符（由socket函数创建返回）
addr	指向sockaddr结构体的指针，需根据协议族（如 IPv4/IPv6）填充具体地址信息（如 IP、端口）
addrlen	addr结构体的长度（字节数），用于告知内核地址结构的大小

维度	IPv4	IPv6
协议族	AF_INET	AF_INET6
地址结构体	struct sockaddr_in	struct sockaddr_in6
地址表示	32 位（如192.168.1.1）	128 位（如::1表示本地回环）
作用域 ID	无	本地链路地址需设置sin6_scope_id

bind是服务器端启动流程的核心步骤之一：只有绑定地址后，套接字才能 “监听” 该地址上的连接请求（通过listen函数）。它确保了客户端能通过明确的 IP 和端口找到服务器，是 TCP/UDP 通信中 “地址寻址” 的基础。

5.3.3将套接字转为被动监听状态listen函数

函数功能：将通过socket创建、bind绑定的套接字，转为被动监听状态，开始接收客户端的连接请求。

参数	含义与要求
sockfd	套接字描述符（需先通过socket创建、bind绑定）
backlog	监听队列的最大长度（客户端连接请求的等待队列长度，实际有效长度由系统内核限制，通常设为5、10等合理值）

• 成功：返回0。

• 失败：返回-1，可通过errno查看错误原因（如套接字未绑定、状态非法等）。

listen是服务器端 “接收连接” 流程的核心：调用后，套接字会维护一个半连接队列（客户端发起连接但未完成三次握手的请求）和全连接队列（已完成三次握手、等待服务器accept的请求），backlog参数控制全连接队列的最大长度。只有通过listen，服务器才能用accept函数从队列中取出并处理客户端的连接请求。

5.3.4接收客户端连接的accept4函数

函数功能：从监听套接字的全连接队列中取出一个客户端连接，返回新的套接字描述符（用于与该客户端通信），同时可获取客户端的地址信息。

参数	含义与要求
sockfd	监听套接字描述符（需先通过socket、bind、listen初始化）
addr	指向sockaddr结构体的指针，用于存储客户端的地址信息（若为NULL，则不获取地址）
addrlen	指向socklen_t变量的指针，输入时为addr结构体的长度，输出时为实际填充的长度
flags	标志位，可选项如SOCK_NONBLOCK（将新套接字设为非阻塞）、SOCK_CLOEXEC（执行 exec 时关闭套接字）

• 成功：返回新的套接字描述符（用于与客户端通信）。

• 失败：返回-1，可通过errno查看错误原因（如无连接可接受、参数非法等）。

accept4是accept的扩展，通过flags参数支持非阻塞模式和文件描述符的自动关闭（CLOEXEC），更适配现代网络编程的高性能、高安全性需求。它是服务器端 “建立连接” 流程的最后一步，调用后服务器即可通过新套接字与客户端进行数据收发。

5.3.5客户端连接服务器connect函数

函数功能：客户端通过connect函数向服务器发起 TCP 连接请求，触发 TCP 三次握手流程，建立端到端的通信链路。

参数	含义与要求
sockfd	客户端套接字描述符（由socket函数创建，未连接状态）
addr	指向sockaddr结构体的指针，需填充服务器的 IP 地址和端口（如struct sockaddr_in用于 IPv4）
addrlen	addr结构体的长度（字节数），通常用sizeof(struct sockaddr_in)获取

• 成功：返回0，TCP 三次握手完成，连接建立。

• 失败：返回-1，可通过errno查看错误原因（如ECONNREFUSED表示服务器拒绝连接、ETIMEDOUT表示连接超时）。

5.3.6从已连接套接字接收数据的recv函数

函数功能：从已建立连接的套接字（如 TCP 连接）中接收数据，将数据存入指定缓冲区。

参数	含义与要求
sockfd	已连接的套接字描述符（如accept返回的服务端客户端套接字、connect后的客户端套接字）
buf	存储接收数据的缓冲区指针
len	缓冲区长度（字节数）
flags	标志位，常见取值0（阻塞接收），也可设MSG_DONTWAIT（非阻塞）、MSG_PEEK（预览数据不删除）等

5.3.7发送网络数据的send函数

函数功能：向套接字发送数据，支持 TCP 流式发送和 UDP 数据报发送（需结合套接字类型）。

参数	含义与要求
sockfd	套接字描述符（已连接的 TCP 套接字或未连接的 UDP 套接字均可）
buf	待发送数据的缓冲区指针（const 修饰表示数据只读）
len	待发送数据的长度（字节数）
flags	标志位，常见取值0（默认发送），也可设MSG_DONTWAIT（非阻塞发送）、MSG_OOB（发送带外数据）等

• 成功：返回实际发送的字节数（≥0）。

• 失败：返回-1，可通过errno查看错误原因（如EAGAIN表示非阻塞时发送队列满）。

5.4TCP网络编程连接示例

服务器端代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
int main(){int sersockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//地址族 选择socket类型TCP/UDP 协议if(sersockfd==-1){exit(1);}struct sockaddr_in saddr,caddr;//saddr存储服务器地址 caddr存储客户端地址memset(&saddr,0,sizeof(saddr));saddr.sin_family=AF_INET;saddr.sin_port=htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");int n=bind(sersockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));if(n==-1){close(sersockfd);exit(1);}n=listen(sersockfd,5);if(n==-1){close(sersockfd);exit(1);}int len=sizeof(caddr);int cilsockfd=accept(sersockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);if(cilsockfd<0){close(cilsockfd);exit(1);}printf("accept sockfd =%d port=%d ip=%s\n",cilsockfd,ntohs(caddr.sin_port),inet_ntoa(caddr.sin_addr));if(cilsockfd==0){printf("cilent close\n");close(cilsockfd);exit(1);}char buff[128]={0};printf("input:");fgets(buff,128,stdin);int byte=send(cilsockfd,buff,sizeof(buff),0);memset(buff,0,sizeof(buff));byte=recv(cilsockfd,buff,127,0);printf("recv=%s\n",buff);close(sersockfd);close(cilsockfd);exit(0);
}

客户端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main()
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 地址族 选择socket类型TCP/UDP 协议if (sockfd == -1){exit(1);}struct sockaddr_in saddr; // saddr存储服务器地址memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");int c = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));if (c == -1){exit(1);}char buff[128] = {0};int byte = recv(sockfd, buff, 127, 0);printf("buff=%s\n", buff);byte = send(sockfd, "ok", 2, 0);close(sockfd);exit(0);
}

结果示例：