Socket 從頭學

本篇內容是我看Sockets Tutorial時所寫下的筆記，可以直接下載他的server.c, client.c執行看結果

gcc -o server server.c
gcc -o client client.c
./server 12345
# 切到令一個terminal
./client 127.0.0.1 12345

Day 1 Hello World, only trace the server side

Knowledge

Hello world使用TCP協定傳輸，下圖為使用TCP協定的流程圖。

Trace code

Server.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
// socket 和 in 會用到 types
#include<sys/types.h>
// socket在這～
#include<sys/socket.h>
// in 中有 internet domain addresses 的結構跟各種定義
#include<netinet/in.h>

void error(const char *msg){
    // perror會按照以下格式印出error的log
    // msg: error message corresponding to the current value of 
    //      errno and a new-line.
    /*void perror(const char *s)
     * s
         * 在 error message 之前想要印出的東西
     * perror會去看當前的errno是多少，從而得知最近一次的error是什麼錯誤
     * */
	perror(msg);
	exit(1);
}
/*Server process
 * Step 1 create the socket object for listening called server
 * Step 2 bind
 * Step 3 listen
 * Step 4 accept, create a socket for this communication
 * Step 5 read
 * Step 6 write
 * Step 7 close
 * */
int main(int argc, char *argv[]){
    /*int sockfd, newsockfd
         * 是 socket file descriptor 的意思
         * 所以新建的socket物件會被assign給他們
     *int portno
         * 用來放port number，我們需要知道port才能跟對方溝通
     *socklen_t client
         * 存客戶端的地址大小
    */
	int sockfd, newsockfd, portno;
	socklen_t client;
    /*char buffer
     * 接收資料的地方
     * */
	char buffer[256];
    /*struct sockaddr_in 專用於 IPv4
     * sin_family
         * 要以哪種domain連線，常用有兩種
         * AF_UNIX/AF_LOCAL: 用在本機程序與程序間的傳輸，讓兩個程序共享一個檔案系統
         * AF_INET/AF_INET6: 讓兩台主機透過網路進行資料傳輸，前者為IPv4，後者為IPv6
     * sin_port
         * 要使用哪個port
     * struct in_addr sin_addr
         * 這個struct 中只有一個物件
         * unsigned long s_addr
         * 讓socket 知道你這個server在哪個IP執行
         * 常量INADDR_ANY代表的就是你的IP
     * char sin_zero[8]
         * 不會用到，應該要是0
     * 
     * serv_addr
         * 有server端的資訊，用struct sockaddr_in表達
     * cli_addr
         * 有client端的資訊，用struct sockaddr_in表達
     * 
     * */
	struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
    /*n
     * read()和write()的回傳值，裡面會存放傳輸字元的數量
     * */
	int n;
    // 如果沒給port，當作失敗無法執行Server
	if(argc < 2){
		fprintf(stderr, "ERROR, no port provided\n");
		exit(1);
	}
    /* Step 1 create the socket object for listening called server
     *int socket(int domain, int type, int protocol)
     * domain
         * 前面提到的，要在哪個domain通訊
     * type
         * socket的傳輸方法
         * SOCK_STREAM: TCP protocol
         * SOCK_DGRAM: UDP protocol
     * protocol
         * 設定socket的協定標準，通常設0，讓kernel選擇type對應的默認協議
     * Return Value
         * 成功：socket file descriptor，可以透過他操作socket
         * 失敗：-1，並且馬上設定errno
     * */
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 檢查是否成功建立socket
	if(sockfd < 0)
		error("ERROR opening socket");
    /*void bzero(void *s, size_t n)
     * 從地址s開始n個bytes的資料通通覆寫為0
     * */
	bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
    // port number 用 portno 接起來
	portno = atoi(argv[1]);
    // 設定 server 的 domain，這裡必須是AF_INET
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
    // 設定 server 的IP，在 server端 通常是當前機器IP，而 INADDR_ANY是這個IP的常量
	serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    /* 設定 server 的port
     *htons
     * 轉換byte order
     * 我們平常用的是 host byte order, 通訊協定要的是 network byte order
     * */
	serv_addr.sin_port = htons(portno);
    /* Step 2 bind
     *int bind(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen)
     * sockfd
         * Step1 建立的 socket file descriptor
     * addr
         * 我們設定的資訊，在這裡是server的資訊
     * addrlen
         * server資訊的大小
     * Return Value
         * 成功：0
         * 失敗：-1，並且馬上設定errno
     * bind是用來給socket物件名稱的，建立socket物件時，他只存在於
     * name space(address family)，但是沒有assigned給任何變數
     * 因此要用bind把socket物件assigned給一個名字
     * */
	if(bind(sockfd, (struct sockaddr *) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
		error("ERROR on binding");
    /* Step 3 listen
     *int listen(int sockfd, int backlog)
     * sockfd
         * socket file descriptor
     * backlog
         * 可以在線等待server的client數量，當超過這個數量時
         * 新的client會收到ECONNREFUSED錯誤
     * Return Value
         * 成功：0
         * 失敗：-1，並且馬上設定errno
     * 這個system call只要有合法的sockfd就會成功，而我們前面已經確定過
     * sockfd是否成功建立，因此這裡不需要再做檢查
     * */
	listen(sockfd, 5);
    /* Step 4 accept, create a socket for this communication
     * 程式會停在這一步直到有client請求連線。
     *int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)
     * sockfd
         * 在等client的 file descriptor
     * addr
         * 發送請求端的sockaddr結構，client端的資料會被塞到這裡面
     * addrlen
         * 送來的結構大小
     * Return Value
         * 成功：一個新的 file descriptor，所有通訊會在這個 file descriptor完成
         * 失敗：-1，並且馬上設定errno
     * */
	client = sizeof(cli_addr);
	newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *) &cli_addr, &client);
	if(newsockfd < 0)
		error("ERROR on accept");
    // 把要接收訊息的容器清乾淨
	bzero(buffer, 256);
    /* Step 5 read
     * 要注意這裡使用的fd是建立通訊後的fd，而不是再依開始建立的server fd
     * 所以我可以推測server的socket物件只是用來聽請求的？
     *ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)
     * fd
         * file descriptor，建立起溝通後的file descriptor
     * buf
         * 接收資料的容器，會把傳送的資料放到這裡，超過count就會只放count大小的資料
     * count
         * 最大能容許的資料大小
     * Return Value
         * 成功：傳送的bytes數量，0代表EOF
         * 失敗：-1
     * */
	n = read(newsockfd, buffer, 255);
	if(n < 0)
        error("ERROR reading from socket");
    // 把收到的訊息印出來
	printf("Here is the message: %s\n", buffer);
    /* Step 6 write
     *ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count)
     * fd
         * file descriptor，一樣要用溝通的那個file descriptor
     * buf
         * 要傳送給client的訊息，大小必須小於count
         * 否則只傳送count大小的訊息
     * count
         * 傳送的資料量最大值
     * Return Value
         * 成功：傳送的bytes數量
         * 失敗：-1，並且馬上設定errno
     * */
	n = write(newsockfd, "I got your message", 18);
	if(n < 0)error("ERROR writing to socket");
    /* Step 7 close
     *int close(int fd)
     * fd
         * 把file descriptor關掉
     * Return Value
         * 成功：0
         * 失敗：-1，並且馬上設定errno
     * */
	close(newsockfd);
	close(sockfd);
	return 0;
}

Q&A

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Q: 為什麼 struct sockaddr_in中的sin_family只能是AF_INET?

A: Why does the sin_family member exist?中有回答，使用不同domain會有不同的結構，sockaddr_in是專屬於IPv4的結構，因此只能是AF_INET。而要這樣設定的原因是在bind和accept的中，會使用到sockaddr*來指向當前使用的結構，而他們只需要看這個結構中第一個成員的值就能決定該用哪一種domain，因此仍然需要這個成員。

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Q: 為什麼要用bind?

Answer from man 2 bind: bind是用來給socket物件名稱的，建立socket物件時，他只存在於 name space(address family)，但是沒有assigned給任何變數，因此要用bind把socket物件assigned給一個名字

我的觀察是在我們一開始建立的socket沒有關於IP或port的資訊，我們透過bind把這些資訊給socket。

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Q: perror怎麼知道是什麼error?

A: perror會去看當前的errno是多少，從而得知最近一次的error是什麼錯誤

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Day 2 Hello World, trace the client side

Trace code

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
// 需要用到裡面的 hostent 結構
#include <netdb.h> 

void error(const char *msg){
    perror(msg);
    exit(0);
}
/*Client process
 *	Step 1 create the socket object for connecting to the server called client
 *	Step 2 connect
 *	Step 3 write
 *	Step 4 read
 *	Step 5 close
 * */

int main(int argc, char* argv[]){
	int sockfd, portno, n;
	// serv_addr 存要連接的server的資訊
	struct sockaddr_in serv_addr;
	/*struct hostent
	 * 	char *h_name
	 * 		official name of host
	 *	char **h_aliases
	 *		alias list
	 *		主機的備用名稱
	 *	int h_addrtype
	 *		host address type
	 *		主機會回傳的address type，現在固定是AF_INET
	 *	int h_length
	 *		length of address, int bytes
	 *	char **h_addr_list
	 *		list of address from name server
	 *		指向主機的網路地址列表，address 是 newtork byte order
	 *	#define h_addr h_addr_list[0]
	 *		address, for backward compatiblity
	 *		這是h_addr_list第一個地址的別名
	 * */
	struct hostent *server;
	char buffer[256];
	if(argc < 3){
		fprintf(stderr, "usage %s hostname port\n", argv[0]);
		exit(0);
	}
	portno = atoi(argv[2]);
	// Step 1 create the socket object for connecting tothe server called client
	// 跟server一樣，都要先建立一個socket物件
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(sockfd < 0)
		error("ERROR opening socket");
	/*struct hostent *gethostbyname(const char *name)
	 * 	name
	 * 		hostname or IPv4 address.
	 * 		如果是IPv4地址，就可以直接將地址copy到hostnet的h_name和struct in_addr
	 * 		如果是hostname而且環境參數HOSTALIASES有備設定，會先去HOSTALIASES找hostname
	 * 	Return Value
	 * 		成功：A pointer of the struct hostent
	 * 		失敗：NULL, h_error會馬上被設定成失敗的原因編號
	 *	根據manual寫的，gethostbyname, gethostbyaddr, herror, hstrerror是過時的方法
	 *	應該改用 getaddrinfo, getnameinfo, gai_strerror
	 * */
	server = gethostbyname(argv[1]);
	if(server == NULL){
		fprintf(stderr, "ERROR, no such host\n");
		exit(0);
	}
	bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
	// 跟server端一樣，把各項資訊設定給serv_addr
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	/* 因為h->addr是char*，所以我們用bcopy地址複製出來
	 *void bcopy(const void *src, void *dest, size_t n)
	 *	src
	 *		The source you wanna copy from.
	 *	dest
	 *		The destination you wanna copy for.
	 *	n
	 *		Copy n bytes
	 * */
	bcopy((char *)server->h_addr, (char *)&serv_addr.sin_addr.s_addr, server->h_length);
	serv_addr.sin_port = htons(portno);
	/* Step 2 connect
	 * 使用connect發送請求，要等server accept才會繼續往下做
	 *int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)
	 *	sockfd
	 *		socket file descriptor, 一開始建立起來的socket物件
	 *	addr
	 *		address, the information we got from the gethostbyname and then 
	 *		copy to the serv_addr
	 *	addrlen
	 *		the size of the addr
	 *	Return Value
	 *		成功：0
	 *		失敗：-1，並且馬上設定errno
	 * */
	if(connect(sockfd, (struct sockaddr *) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
		error("ERROR connecting");
	printf("Please enter the message: ");
	bzero(buffer, 256);
	fgets(buffer, 255, stdin);
	// Step 3 write
	n = write(sockfd, buffer, strlen(buffer));
	if(n < 0)
		error("ERROR writing to socket");
	bzero(buffer, 256);
	// Step 4 read
	n = read(sockfd, buffer, 255);
	if(n < 0)
		error("ERROR reading from socket");
	printf("%s\n", buffer);
	// Step 5 close
	close(sockfd);
	return 0;
}

Q&A

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Q: client 建立的socket物件有辦法先知道 server端 使用的 domain 跟 type 再建立嘛？

A: domain可以在gethostbyname後得知，但是type沒辦法

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Q: 這樣的server只能有一個連線，然後讀一次訊息就結束了，我希望能更多連線怎麼做？

A: 看Sockets Tutorial的後面，有對server做改進。