Linux系统编程：网络编程与Socket通信详解

引言

网络编程是Linux系统编程的核心内容之一，而Socket是实现网络通信的基石。无论是Web服务器、即时通讯工具还是分布式系统，都依赖于Socket进行数据传输。本文将深入讲解Socket编程的基本概念，并通过C语言实现一个完整的TCP客户端-服务器通信示例，帮助初学者掌握网络编程的核心技能。

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一、Socket编程基础

1.1 什么是Socket？

Socket（套接字）是网络通信的端点，用于在不同主机或同一主机的不同进程之间传输数据。它封装了底层网络协议的细节，提供统一的编程接口。

• 类比：Socket类似于电话插座，应用程序通过“插拔”Socket实现通信。

1.2 TCP vs UDP

• TCP（传输控制协议）：

  • 面向连接，可靠传输（数据不丢失、不重复）。

  • 适合文件传输、网页访问等场景。

• UDP（用户数据报协议）：

  • 无连接，高效但不可靠。

  • 适合视频流、实时游戏等场景。

1.3 Socket通信流程

TCP服务器端流程：

1. 创建Socket → 2. 绑定地址 → 3. 监听连接 → 4. 接受连接 → 5. 通信 → 6. 关闭连接

TCP客户端流程：

1. 创建Socket → 2. 连接服务器 → 3. 通信 → 4. 关闭连接

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二、核心函数与数据结构

2.1 关键函数

函数名	作用	服务器/客户端
socket()	创建Socket	两者
bind()	绑定IP和端口	服务器
listen()	监听连接请求	服务器
accept()	接受客户端连接	服务器
connect()	连接服务器	客户端
send()/recv()	发送/接收数据	两者
close()	关闭Socket	两者

2.2 数据结构

sockaddr_in（IPv4地址结构）：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family;  // 地址族，如AF_INET
    in_port_t      sin_port;    // 端口号（网络字节序）
    struct in_addr sin_addr;    // IP地址
};

struct in_addr {
    uint32_t s_addr;  // 32位IPv4地址（网络字节序）
};

三、TCP服务器实现

3.1 代码实现

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PORT 8080
#define MAX_BUFFER 1024

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[MAX_BUFFER] = {0};
    char *response = "Hello from server!";

    // 1. 创建Socket
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 绑定地址
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有网卡
    address.sin_port = htons(PORT);       // 端口转为网络字节序

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 监听连接
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("listen failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);

    // 4. 接受连接
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
        perror("accept failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 5. 通信
    read(new_socket, buffer, MAX_BUFFER);
    printf("Client message: %s\n", buffer);
    send(new_socket, response, strlen(response), 0);
    printf("Response sent\n");

    // 6. 关闭连接
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

3.2 代码解析

• socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)：

  • AF_INET：IPv4协议族。

  • SOCK_STREAM：TCP协议。

• INADDR_ANY：服务器监听所有可用网络接口。

• htons(PORT)：将端口号转换为网络字节序（大端模式）。

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四、TCP客户端实现

4.1 代码实现

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PORT 8080
#define MAX_BUFFER 1024

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char *message = "Hello from client!";
    char buffer[MAX_BUFFER] = {0};

    // 1. 创建Socket
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 将IP地址从字符串转换为网络格式
    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("invalid address");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 连接服务器
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        perror("connection failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 通信
    send(sock, message, strlen(message), 0);
    printf("Message sent to server\n");
    read(sock, buffer, MAX_BUFFER);
    printf("Server response: %s\n", buffer);

    // 4. 关闭连接
    close(sock);
    return 0;
}

4.2 代码解析

• inet_pton()：将点分十进制的IP地址（如127.0.0.1）转换为二进制格式。

• connect()：发起与服务器的连接请求。

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五、运行与测试

5.1 编译代码

# 编译服务器
gcc server.c -o server

# 编译客户端
gcc client.c -o client

5.2 运行程序

1. 启动服务器：

./server

• 输出：Server listening on port 8080...

    2.启动客户端：

./client

• 客户端输出：

Message sent to server
Server response: Hello from server!

• 服务器输出：

Client message: Hello from client!
Response sent

六、扩展与优化方向

1. 多客户端支持：使用多线程或select()函数处理并发连接。

2. 数据协议设计：定义应用层协议（如HTTP、自定义协议）规范数据格式。

3. 错误恢复：添加超时机制和重传逻辑增强鲁棒性。

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七、总结

• Socket是网络通信的基石，TCP提供可靠的双向字节流传输。

• 服务器核心步骤：创建→绑定→监听→接受→通信→关闭。

• 客户端核心步骤：创建→连接→通信→关闭。

通过本文的学习，读者应能掌握Socket编程的基本原理，并能够实现简单的TCP客户端-服务器通信。下一步可探索UDP通信或构建高性能服务器模型（如Epoll）。