第一章：理解網路程式設計和套接字

本章程式碼，在TCP-IP-NetworkNote中可以找到。

1.1 理解網路程式設計和套接字

1.1.1構建打電話套接字

以電話機打電話的方式來理解套接字。

呼叫 socket 函式（安裝電話機）時進行的對話：

問：接電話需要準備什麼？

答：當然是電話機。

有了電話機才能安裝電話，於是就要準備一個電話機，下面函式相當於電話機的套接字。

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
//成功時返回檔案描述符，失敗時返回-1
 

呼叫 bind 函式（分配電話號碼）時進行的對話：

問：請問我的電話號碼是多少

答：我的電話號碼是123-1234

套接字同樣如此。就想給電話機分配電話號碼一樣，利用以下函式給建立好的套接字分配地址資訊（IP地址和埠號）：

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
//成功時返回0，失敗時返回-1

呼叫 bind 函式給套接字分配地址之後，就基本完成了所有的準備工作。接下來是需要連線電話線並等待來電。

呼叫 listen 函式（連線電話線）時進行的對話

問：已架設完電話機後是否只需連結電話線？

答：對，只需要連線就能接聽電話。

一連線電話線，電話機就可以轉換為可接聽狀態，這時其他人可以撥打電話請求連線到該機。同樣，需要把套接字轉化成可接受連線狀態。

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
//成功時返回0，失敗時返回-1

連線好電話線以後，如果有人撥打電話就響鈴，拿起話筒才能接聽電話。

呼叫 accept 函式（拿起話筒）時進行的對話：

問：電話鈴響了，我該怎麼辦？

答：接聽啊。

#include
 
 <sys/socket.h>
int accept(int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen_t *addrlen);
//成功時返回檔案描述符，失敗時返回-1

網路程式設計中和接受連線請求的套接字建立過程可整理如下：

1. 第一步：呼叫 socket 函式建立套接字。
2. 第二步：呼叫 bind 函式分配IP地址和埠號。
3. 第三步：呼叫 listen 函式轉換為可接受請求狀態。
4. 第四步：呼叫 accept 函式受理套接字請求。

1.1.2 編寫Hello World套接字程式

服務端：

伺服器端（server）是能夠受理連線請求的程式。下面構建服務端以驗證之前提到的函式呼叫過程，該伺服器端收到連線請求後向請求者返回Hello World!答覆。除各種函式的呼叫順序外，我們還未涉及任何實際程式設計。因此，閱讀程式碼時請重點關注套接字相關的函式呼叫過程，不必理解全過程。

伺服器端程式碼請參見：hello_server.c

客戶端：

客戶端程式只有呼叫 socket 函式建立套接字 和 呼叫 connect 函式向服務端傳送連線請求這兩個步驟，下面給出客戶端，需要檢視以下兩方面的內容：

1. 呼叫 socket 函式 和 connect 函式
2. 與服務端共同執行以收發字串資料

客戶端程式碼請參見：hello_client.c

編譯：

分別對客戶端和服務端程式進行編譯：

gcc hello_server.c -o hserver
gcc hello_client.c -o hclient

執行：

./hserver 9190
./hclient 127.0.0.1 9190

執行的時候，首先再 9190 埠啟動服務，然後 heserver 就會一直等待客戶端進行響應，當客戶端監聽位於本地的 IP 為 127.0.0.1 的地址的9190埠時，客戶端就會收到服務端的迴應，輸出Hello World!

1.2 基於 Linux 的檔案操作

討論套接字的過程中突然談及檔案也許有些奇怪。但是對於 Linux 而言，socket 操作與檔案操作沒有區別，因而有必要詳細瞭解檔案。在 Linux 世界裡，socket 也被認為是檔案的一種，因此在網路資料傳輸過程中自然可以使用 I/O 的相關函式。Windows 與 Linux 不同，是要區分 socket 和檔案的。因此在 Windows 中需要呼叫特殊的資料傳輸相關函式。

1.2.1 底層訪問和檔案描述符

分配給標準輸入輸出及標準錯誤的檔案描述符。

檔案和套接字一般經過建立過程才會被分配檔案描述符。

檔案描述符也被稱為「檔案控制代碼」，但是「控制代碼」主要是 Windows 中的術語。因此，在本書中如果設計 Windows 平臺將使用「控制代碼」，如果是 Linux 將使用「描述符」。

1.2.2 開啟檔案:

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *path, int flag);
/*
成功時返回檔案描述符，失敗時返回-1
path : 檔名的字串地址
flag : 檔案開啟模式資訊
*/

檔案開啟模式如下表：

1.2.3 關閉檔案：

#include <unistd.h>
int close(int fd);
/*
成功時返回 0 ，失敗時返回 -1
fd : 需要關閉的檔案或套接字的檔案描述符
*/

若呼叫此函式同時傳遞檔案描述符引數，則關閉（終止）響應檔案。另外需要注意的是，此函式不僅可以關閉檔案，還可以關閉套接字。再次證明了「Linux 作業系統不區分檔案與套接字」的特點。

1.2.4 將資料寫入檔案：

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
/*
成功時返回寫入的位元組數 ，失敗時返回 -1
fd : 顯示資料傳輸物件的檔案描述符
buf : 儲存要傳輸資料的緩衝值地址
nbytes : 要傳輸資料的位元組數
*/

在此函式的定義中，size_t 是通過 typedef 宣告的 unsigned int 型別。對 ssize_t 來說，ssize_t 前面多加的 s 代表 signed ，即 ssize_t 是通過 typedef 宣告的 signed int 型別。

建立新檔案並儲存資料：

程式碼見：low_open.c

編譯執行：

gcc low_open.c -o lopen
./lopen

然後會生成一個data.txt的檔案，裡面有Let's go!

1.2.5 讀取檔案中的資料：

與之前的write()函式相對應，read()用來輸入（接收）資料。

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
/*
成功時返回接收的位元組數（但遇到檔案結尾則返回 0），失敗時返回 -1
fd : 顯示資料接收物件的檔案描述符
buf : 要儲存接收的資料的緩衝地址值。
nbytes : 要接收資料的最大位元組數
*/

下面示例通過 read() 函式讀取 data.txt 中儲存的資料。

程式碼見：low_read.c

編譯執行：

gcc low_read.c -o lread
./lread

在上一步的 data.txt 檔案與沒有刪的情況下，會輸出：

file descriptor: 3
file data: Let's go!

關於檔案描述符的 I/O 操作到此結束，要明白，這些內容同樣適合於套接字。

1.2.6 檔案描述符與套接字

下面將同時建立檔案和套接字，並用整數型態比較返回的檔案描述符的值.

程式碼見：fd_seri.c

編譯執行：

gcc fd_seri.c -o fds
./fds

輸出結果:

file descriptor 1: 3
file descriptor 2: 15
file descriptor 3: 16

1.3 基於 Windows 平臺的實現

暫略

1.4 基於 Windows 的套接字相關函式及示例

暫略

1.5 習題

❗️以下部分的答案，僅代表我個人觀點，可能不是正確答案

1. 套接字在網路程式設計中的作用是什麼？為何稱它為套接字？

   答：作業系統會提供「套接字」（socket）的部件，套接字是網路資料傳輸用的軟體裝置。因此，「網路程式設計」也叫「套接字程式設計」。「套接字」就是用來連線網路的工具。

2. 在伺服器端建立套接字以後，會依次呼叫 listen 函式和 accept 函式。請比較二者作用。

   答：呼叫 listen 函式將套接字轉換成可受連線狀態（監聽），呼叫 accept 函式受理連線請求。如果在沒有連線請求的情況下呼叫該函式，則不會返回，直到有連線請求為止。

3. Linux 中，對套接字資料進行 I/O 時可以直接使用檔案 I/O 相關函式；而在 Windows 中則不可以。原因為何？

   答：暫略。

4. 建立套接字後一般會給他分配地址，為什麼？為了完成地址分配需要呼叫哪個函式？

   答：套接字被建立之後，只有為其分配了IP地址和埠號後，客戶端才能夠通過IP地址及埠號與伺服器端建立連線，需要呼叫 bind 函式來完成地址分配。

5. Linux 中的檔案描述符與 Windows 的控制代碼實際上非常類似。請以套接字為物件說明它們的含義。

答：暫略。

6. 底層 I/O 函式與 ANSI 標準定義的檔案 I/O 函式有何區別？

   答：檔案 I/O 又稱為低階磁碟 I/O，遵循 POSIX 相關標準。任何相容 POSIX 標準的作業系統上都支援檔案I/O。標準 I/O 被稱為高階磁碟 I/O，遵循 ANSI C 相關標準。只要開發環境中有標準 I/O 庫，標準 I/O 就可以使用。（Linux 中使用的是 GLIBC，它是標準C庫的超集。不僅包含 ANSI C 中定義的函式，還包括 POSIX 標準中定義的函式。因此，Linux 下既可以使用標準 I/O，也可以使用檔案 I/O）。

7. 參考本書給出的示例low_open.c和low_read.c，分別利用底層檔案 I/O 和 ANSI 標準 I/O 編寫檔案複製程式。可任意指定複製程式的使用方法。

   答：暫略。