零基礎入門：用C++從零實現TCP Socket網絡小工具

個人主頁：chian-ocean

文章專欄-Linux

前言：

網絡編程中的套接字（Socket）是通信的基本接口，允許不同計算機之間通過網絡交換數據。套接字是計算機網絡中通信的“端點”，通過它，應用程序可以與網絡中的其他計算機進行數據通信。網絡套接字接口提供了一種抽象的、平臺無關的方式來進行進程間通信（IPC）或網絡通信。

在這里插入圖片描述

網絡套接字接口

頭文件

編寫網絡的常用的4個頭文件，基本常用的函數都在這4個頭文件里面。

#include <sys/types.h>    // 包含各種系統數據類型
#include <sys/socket.h>    // 包含套接字操作相關函數和常量
#include <arpa/inet.h>     // 包含與Internet地址轉換相關的函數
#include <netinet/in.h>    // 定義與網絡字節序及IPv4/IPv6地址相關的結構體和常量

接口

`socket`

socket() 函數是創建網絡通信套接字的基礎。它用于創建一個套接字（socket）并返回一個套接字描述符（socket descriptor），這個描述符將被用來進行后續的網絡通信（例如發送和接收數據）。

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

參數說明

domain（地址族）：指定通信使用的協議族。
- 常用值：
  - AF_INET：IPv4 地址族（用于 TCP/IP 通信）。
  - AF_INET6：IPv6 地址族。
  - AF_UNIX：本地通信，適用于 Unix 域套接字。
type（套接字類型）：指定套接字的類型，決定數據傳輸的方式。
- 常用值：
  - SOCK_STREAM：流套接字（用于 TCP）。
  - SOCK_DGRAM：數據報套接字（用于 UDP）。
  - SOCK_RAW：原始套接字，用于底層協議。
protocol（協議）：指定使用的具體協議，通常設置為 0 讓系統自動選擇協議。
- 常用值：
  - 0：自動選擇合適的協議。
  - IPPROTO_TCP：用于 TCP。
  - IPPROTO_UDP：用于 UDP。

返回值

成功時，socket() 返回一個 非負整數，這是一個套接字描述符，代表這個套接字。該描述符將用于后續的套接字操作（如綁定、連接、發送數據等）。
失敗時，返回 -1，并且設置全局變量 errno 來指示錯誤類型。

`bind()`

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

參數說明

sockfd（套接字描述符）
- 類型：int
- 描述：這是通過 socket() 創建的套接字描述符。客戶端使用該套接字發起連接請求。
- 說明：該套接字應該是已經創建并且可以進行連接的有效套接字。
addr（目標地址）
- 類型：struct sockaddr *
- 描述：指向一個 struct sockaddr 結構體的指針，包含了服務器的地址（IP 地址和端口號）。
- 說明：具體的結構類型通常為 struct sockaddr_in（用于 IPv4 地址）或者 struct sockaddr_in6（用于 IPv6 地址）。這個結構體包含了目標服務器的 IP 地址和端口號。
addrlen（地址長度）
- 類型：socklen_t
- 描述：指定目標地址結構體的大小（字節數）。
- 說明：通常設置為 sizeof(struct sockaddr_in) 或 sizeof(struct sockaddr_in6)，用于告訴 connect() 函數地址結構的實際長度。

返回值

成功時：返回 0，表示成功將套接字與指定的本地地址綁定。
失敗時：返回 -1，并將 errno 設置為具體的錯誤碼。

`listen()`

int listen(int sockfd, int backlog);

參數說明

sockfd：
- 類型：int
- 描述：表示要進入監聽狀態的套接字描述符。這個套接字通常是通過 socket() 創建的，并且應該已經通過 bind() 綁定了本地地址（如 IP 地址和端口）。
- 說明：套接字需要是一個有效的連接套接字，用于接受客戶端連接。
backlog：
- 類型：int
- 描述：表示 監聽隊列的最大長度，也就是可以等待的連接請求數量。如果有多個客戶端同時請求連接，系統會將這些請求放入隊列中，backlog 參數設置了隊列的最大長度。
- 說明：如果有超過 backlog 數量的連接請求，新的連接請求會被拒絕，或者它們會根據操作系統的實現策略被丟棄。
- 推薦值：常見的 backlog 值一般設置為 5 到 128，根據服務器的需求而定。對于高并發系統，可能需要更大的 backlog 值。

返回值

成功時：返回 0，表示成功將套接字轉換為監聽狀態。
失敗時：返回 -1，并設置 errno 以指示錯誤原因。

`accept()`

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

參數說明

sockfd（套接字描述符）
- 類型：int
- 描述：這是通過 socket() 創建的套接字描述符。客戶端使用該套接字發起連接請求。
- 說明：該套接字應該是已經創建并且可以進行連接的有效套接字。
addr（目標地址）
- 類型：struct sockaddr *
- 描述：指向一個 struct sockaddr 結構體的指針，包含了服務器的地址（IP 地址和端口號）。
- 說明：具體的結構類型通常為 struct sockaddr_in（用于 IPv4 地址）或者 struct sockaddr_in6（用于 IPv6 地址）。這個結構體包含了目標服務器的 IP 地址和端口號。
addrlen（地址長度）
- 類型：socklen_t
- 描述：指定目標地址結構體的大小（字節數）。
- 說明：通常設置為 sizeof(struct sockaddr_in) 或 sizeof(struct sockaddr_in6)，用于告訴 connect() 函數地址結構的實際長度。

返回值

成功時：返回 新的套接字描述符，用于與客戶端進行通信。這個新的套接字是通過 accept() 函數創建的，它與原始的監聽套接字不同，可以用于數據發送和接收。
失敗時：返回 -1，并設置 errno 以指示錯誤原因。

`connect()`

參數說明

sockfd（套接字描述符）
- 類型：int
- 描述：這是通過 socket() 創建的套接字描述符。客戶端使用該套接字發起連接請求。
- 說明：該套接字應該是已經創建并且可以進行連接的有效套接字。
addr（目標地址）
- 類型：struct sockaddr *
- 描述：指向一個 struct sockaddr 結構體的指針，包含了服務器的地址（IP 地址和端口號）。
- 說明：具體的結構類型通常為 struct sockaddr_in（用于 IPv4 地址）或者 struct sockaddr_in6（用于 IPv6 地址）。這個結構體包含了目標服務器的 IP 地址和端口號。
addrlen（地址長度）
- 類型：socklen_t
- 描述：指定目標地址結構體的大小（字節數）。
- 說明：通常設置為 sizeof(struct sockaddr_in) 或 sizeof(struct sockaddr_in6)，用于告訴 connect() 函數地址結構的實際長度。

返回值

成功時：返回 0，表示連接成功。
失敗時：返回 -1，并且會設置 errno 來指示錯誤的具體原因。

`close()`

int close(int fd);

參數說明

fd（文件描述符）：
- 類型：int
- 描述：這是要關閉的文件描述符。對于套接字編程而言，這通常是由 socket() 函數返回的套接字描述符（sockfd）。
- 說明：在網絡編程中，fd 是表示套接字的描述符，它可以是通過 socket() 創建的套接字描述符。關閉該描述符會釋放套接字占用的資源。

返回值

成功時：返回 0，表示成功關閉套接字或文件描述符。
失敗時：返回 -1，并設置 errno 為具體的錯誤代碼

網絡套接字封裝（TCP）

1. 頭文件引用

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include "log.hpp"

<iostream>：提供輸入輸出流的功能，常用于打印日志或錯誤信息。
<string>：提供 C++ 標準庫的字符串類 std::string，用于字符串處理。
<cstring> 和 <strings.h>：用于處理字符串相關的操作，如 bzero() 和 strerror()。
<sys/types.h> 和 <sys/socket.h>：提供套接字編程所需的類型定義和系統調用。
<arpa/inet.h>：提供與 IP 地址轉換相關的函數（如 inet_ntop() 和 inet_addr()）。
<netinet/in.h>：定義了用于 IPv4 地址和端口的結構體和常量（如 sockaddr_in 和 htons()）。
"log.hpp"：這是一個自定義的日志頭文件，包含了日志記錄相關的內容。lg() 函數用于記錄日志，lg() 宏應該在 log.hpp 中定義。

2. 全局變量和枚舉類型

int backlog = 10;enum err
{Socketerr = 1,Bindeterr,Listeneterr, Accepteterr, 
};

backlog：這是傳遞給 listen() 函數的參數，定義了監聽隊列的最大長度（即最大客戶端連接數）。設置為 10。
enum err：定義了與套接字相關的錯誤類型。
- Socketerr = 1：表示套接字創建失敗。
- Bindeterr：表示套接字綁定失敗。
- Listeneterr：表示監聽失敗。
- Accepteterr：表示接受客戶端連接失敗。

3. `Sock` 類

3.1 構造函數和析構函數

Sock() {}
~Sock() {}

構造函數：默認構造函數，沒有進行任何初始化操作。
析構函數：默認析構函數，沒有執行任何資源清理操作。

3.2 `Socket()` - 創建套接字

void Socket()
{sockfd_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd_ < 0){lg(FATAL,"Socket error: %d,%s",errno,strerror(errno));exit(Socketerr);}
}

目的：創建一個 TCP 套接字。
- AF_INET：表示 IPv4 地址族。
- SOCK_STREAM：表示 TCP 流套接字（面向連接的套接字）。
- 0：表示默認協議，通常是 TCP 協議。
錯誤處理：如果 socket() 返回值小于 0，表示套接字創建失敗，記錄日志并退出程序，退出代碼為 Socketerr。

3.3 `Bind(uint16_t port)` - 綁定套接字

void Bind(uint16_t port)
{struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);bzero(&peer,len);peer.sin_port = htons(port);peer.sin_family = AF_INET;peer.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if(bind(sockfd_,(struct sockaddr *)&(peer),len) < 0){lg(FATAL,"Bind error: %d,%s",errno,strerror(errno));exit(Bindeterr);}
}

目的：將套接字與本地 IP 地址和端口號綁定。通過 INADDR_ANY 將套接字綁定到所有可用的網絡接口上，接受來自任何 IP 地址的連接。
- htons()：將端口號從主機字節序轉換為網絡字節序。
錯誤處理：如果 bind() 返回值小于 0，表示綁定失敗，記錄日志并退出程序，退出代碼為 Bindeterr。

3.4 `Listen()` - 開始監聽

void Listen()
{if(listen(sockfd_, backlog) < 0){lg(FATAL,"Listen error: %d,%s",errno,strerror(errno));exit(Listeneterr);}
}

目的：將套接字設置為監聽狀態，準備接受客戶端的連接。
- backlog：監聽隊列的最大長度，定義最多能排隊等待的連接數。
錯誤處理：如果 listen() 返回值小于 0，表示監聽失敗，記錄日志并退出程序，退出代碼為 Listeneterr。

3.5 **`Accept(std::string \* clientip, uint16_t\* clientport)`** - 接受連接

int Accept(std::string * clientip, uint16_t* clientport)
{struct sockaddr_in peer;socklen_t len  = sizeof(peer);bzero(&peer,len);int newfd = accept(sockfd_,(struct sockaddr*)&(peer),&len);if(newfd < 0){lg(FATAL,"Accept error: %d,%s",errno,strerror(errno));exit(Accepteterr);}char ip[64];inet_ntop(AF_INET,&peer.sin_addr.s_addr,ip,sizeof(ip));*clientip = ip;*clientport = ntohs(peer.sin_port);return newfd;
}

目的：接受來自客戶端的連接請求，并返回一個新的套接字用于與客戶端的通信。
- accept() 函數返回一個新的套接字 newfd，用于與客戶端交換數據。
- 通過 inet_ntop() 將客戶端的 IP 地址從二進制轉換為字符串格式，ntohs() 將客戶端的端口號轉換為主機字節序。
錯誤處理：如果 accept() 返回值小于 0，表示接受連接失敗，記錄日志并退出程序，退出代碼為 Accepteterr。

3.6 `Connect(const std::string& ip, const uint16_t& port)` - 連接服務器

bool Connect(const std::string& ip,const uint16_t& port)
{struct sockaddr_in peer;socklen_t len  = sizeof(peer);bzero(&peer,len);peer.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());peer.sin_port = htons(port);peer.sin_family = AF_INET;int n = connect(sockfd_,(struct sockaddr*)&(peer),len);if(n < 0){lg(WARNING,"Connect error: %d,%s",errno,strerror(errno));return false;}return true;
}

目的：客戶端通過此函數連接到遠程服務器，指定服務器的 IP 地址和端口。
- inet_addr()：將 IP 地址從字符串轉換為網絡字節序的二進制格式。
- htons()：將端口號轉換為網絡字節序。
錯誤處理：如果 connect() 失敗，記錄警告日志并返回 false，否則返回 true 表示連接成功。