《TCP/IP网络编程》(韩-尹圣雨)学习笔记
韩国尹圣雨所著《TCP/IP 网络编程》的学习笔记与完整代码实现，涵盖 19 章理论与 96 个 C 语言示例。
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开发环境：Ubuntu 18.04 LTS，
gcc (Ubuntu 7.3.0) 7.3.0/g++ (Ubuntu 7.3.0) 7.3.0。本笔记只涉及 Linux 部分。
编译运行示例代码：
# 编译服务端示例
gcc hello_server.c -o hserver
# 编译客户端示例
gcc hello_client.c -o hclient
# 运行服务端（需要端口号参数）
./hserver 9190
# 运行客户端（需要 IP 地址和端口号）
./hclient 127.0.0.1 9190
多线程示例（第 18 章）需要链接 pthread 库：
gcc thread1.c -o tr1 -lpthread
如需在本地预览电子书网站：
cd site
npm install # 安装 VitePress 依赖
npm run dev # 启动开发服务器，访问 http://localhost:5173
# 或
npm run build # 构建静态站点到 site/.vitepress/dist
如果在阅读本笔记的过程中发现错别字或 bug，欢迎向本项目提交 PR 或 Issue。
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本笔记内容仅供学习交流，转载请注明出处。代码示例随原书仅供学习使用。
本章代码，在TCP-IP-NetworkNote中可以找到，直接点链接可能进不去。
以电话机打电话的方式来理解套接字。
调用 socket 函数（安装电话机）时进行的对话：
问：接电话需要准备什么？
答：当然是电话机。
有了电话机才能安装电话，于是就要准备一个电话机，下面函数相当于电话机的套接字。
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
//成功时返回文件描述符，失败时返回-1
调用 bind 函数（分配电话号码）时进行的对话：
问：请问我的电话号码是多少
答：我的电话号码是123-1234
套接字同样如此。就像给电话机分配电话号码一样，利用以下函数给创建好的套接字分配地址信息（IP地址和端口号）：
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
//成功时返回0，失败时返回-1
调用 bind 函数给套接字分配地址之后，就基本完成了所有的准备工作。接下来是需要连接电话线并等待来电。
调用 listen 函数（连接电话线）时进行的对话：
问：已架设完电话机后是否只需连接电话线？
答：对，只需要连接就能接听电话。
一连接电话线，电话机就可以转换为可接听状态，这时其他人可以拨打电话请求连接到该机。同样，需要把套接字转化成可接受连接状态。
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
//成功时返回0，失败时返回-1
连接好电话线以后，如果有人拨打电话就响铃，拿起话筒才能接听电话。
调用 accept 函数（拿起话筒）时进行的对话：
问：电话铃响了，我该怎么办？
答：接听啊。
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
//成功时返回文件描述符，失败时返回-1
网络编程中接受连接请求的套接字创建过程可整理如下：
Hello World套接字程序服务端：
服务器端（server）是能够受理连接请求的程序。下面构建服务端以验证之前提到的函数调用过程，该服务器端收到连接请求后向请求者返回Hello World!答复。除各种函数的调用顺序外，我们还未涉及任何实际编程。因此，阅读代码时请重点关注套接字相关的函数调用过程，不必理解全过程。
服务器端代码请参见：hello_server.c
客户端：
客户端程序只有调用 socket 函数创建套接字 和 调用 connect 函数向服务端发送连接请求这两个步骤，下面给出客户端，需要查看以下两方面的内容：
客户端代码请参见：hello_client.c
编译：
分别对客户端和服务端程序进行编译：
gcc hello_server.c -o hserver
gcc hello_client.c -o hclient
运行：
./hserver 9190
./hclient 127.0.0.1 9190
运行的时候，首先在 9190 端口启动服务，然后 hserver 就会一直等待客户端进行连接，当客户端连接到本地地址 127.0.0.1 的 9190 端口时，客户端就会收到服务端的回应，输出Hello World!
讨论套接字的过程中突然谈及文件也许有些奇怪。但是对于 Linux 而言，socket 操作与文件操作没有区别，因而有必要详细了解文件。在 Linux 世界里，socket 也被认为是文件的一种，因此在网络数据传输过程中自然可以使用 I/O 的相关函数。Windows 与 Linux 不同，是要区分套接字和文件的。因此在 Windows 中需要调用特殊的数据传输相关函数。
分配给标准输入输出及标准错误的文件描述符。
| 文件描述符 | 对象 |
|---|---|
| 0 | 标准输入：Standard Input |
| 1 | 标准输出：Standard Output |
| 2 | 标准错误：Standard Error |
文件和套接字一般经过创建过程才会被分配文件描述符。
文件描述符也被称为「文件句柄」，但是「句柄」主要是 Windows 中的术语。因此，在本书中如果涉及 Windows 平台将使用「句柄」，如果是 Linux 将使用「描述符」。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *path, int flag);
/*
成功时返回文件描述符，失败时返回-1
path : 文件名的字符串地址
flag : 文件打开模式信息
*/
文件打开模式如下表：
| 打开模式 | 含义 |
|---|---|
| O_CREAT | 必要时创建文件 |
| O_TRUNC | 删除全部现有数据 |
| O_APPEND | 维持现有数据，保存到其后面 |
| O_RDONLY | 只读打开 |
| O_WRONLY | 只写打开 |
| O_RDWR | 读写打开 |
#include <unistd.h>
int close(int fd);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
fd : 需要关闭的文件或套接字的文件描述符
*/
若调用此函数同时传递文件描述符参数，则关闭（终止）相应文件。另外需要注意的是，此函数不仅可以关闭文件，还可以关闭套接字。再次证明了「Linux 操作系统不区分文件与套接字」的特点。
#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
/*
成功时返回写入的字节数 ，失败时返回 -1
fd : 显示数据传输对象的文件描述符
buf : 保存要传输数据的缓冲值地址
nbytes : 要传输数据的字节数
*/
在此函数的定义中，size_t 是通过 typedef 声明的无符号整型（通常为 unsigned long）。对 ssize_t 来说，ssize_t 前面多加的 s 代表 signed（有符号），即 ssize_t 是通过 typedef 声明的有符号整型（通常为 signed long）。
创建新文件并保存数据：
代码见：low_open.c
编译运行：
gcc low_open.c -o lopen
./lopen
然后会生成一个data.txt的文件，里面有Let's go!
与之前的write()函数相对应，read()用来输入（接收）数据。
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
/*
成功时返回接收的字节数（但遇到文件结尾则返回 0），失败时返回 -1
fd : 显示数据接收对象的文件描述符
buf : 要保存接收的数据的缓冲地址值。
nbytes : 要接收数据的最大字节数
*/
下面示例通过 read() 函数读取 data.txt 中保存的数据。
代码见：low_read.c
编译运行：
gcc low_read.c -o lread
./lread
在上一步的 data.txt 文件如果没有删的情况下，会输出：
file descriptor: 3
file data: Let's go!
关于文件描述符的 I/O 操作到此结束，要明白，这些内容同样适合于套接字。
下面将同时创建文件和套接字，并用整数类型比较返回的文件描述符的值。
代码见：fd_seri.c
编译运行：
gcc fd_seri.c -o fds
./fds
输出结果:
file descriptor 1: 3
file descriptor 2: 4
file descriptor 3: 5
暂略
暂略
:heavy_exclamation_mark:以下部分的答案，仅代表我个人观点，可能不是正确答案
套接字在网络编程中的作用是什么？为何称它为套接字？
答：操作系统会提供「套接字」（socket）的部件，套接字是网络数据传输用的软件设备，因此「网络编程」也叫「套接字编程」。「套接字」是 socket 的中文译名，socket 原意为「插座、插口」，在网络编程中引申为数据通信的连接端点，即用来连接网络的工具。
在服务器端创建套接字以后，会依次调用 listen 函数和 accept 函数。请比较二者作用。
答：调用 listen 函数将套接字转换成可接受连接状态（监听），调用 accept 函数受理连接请求。如果在没有连接请求的情况下调用该函数，则不会返回，直到有连接请求为止。
Linux 中，对套接字数据进行 I/O 时可以直接使用文件 I/O 相关函数；而在 Windows 中则不可以。原因为何？
答：在 Linux 中，套接字（socket）被视为文件的一种，遵循「一切皆文件」的设计哲学。因此可以使用标准的文件 I/O 函数（如
read、write、close）对套接字进行操作。而在 Windows 中，套接字和文件是区分开的，套接字操作需要使用专门的 Winsock 函数（如send、recv、closesocket），通常不使用文件 I/O 函数（如ReadFile、WriteFile）直接操作套接字。
创建套接字后一般会给它分配地址，为什么？为了完成地址分配需要调用哪个函数？
答：套接字被创建之后，只有为其分配了IP地址和端口号后，客户端才能够通过IP地址及端口号与服务器端建立连接，需要调用 bind 函数来完成地址分配。
Linux 中的文件描述符与 Windows 的句柄实际上非常类似。请以套接字为对象说明它们的含义。
答：文件描述符（File Descriptor）是 Linux 内核为了高效管理已被打开的文件所创建的索引，用于标识打开的文件、套接字等 I/O 资源，是一个非负整数。句柄（Handle）是 Windows 中用于标识资源（如文件、套接字、窗口等）的抽象引用，本质上是一个指针或索引。两者的相似之处在于：它们都是操作系统用来标识和访问资源的标识符；区别在于：Linux 的文件描述符是整数值，且遵循「一切皆文件」原则，套接字可以使用文件 I/O 函数操作；而 Windows 的句柄是 opaque 类型（不透明的指针类型），且需要针对不同资源类型使用专门的 API 函数。
底层 I/O 函数与 ANSI 标准定义的文件 I/O 函数有何区别？
答：文件 I/O 又称为低级磁盘 I/O，遵循 POSIX 相关标准。任何兼容 POSIX 标准的操作系统上都支持文件I/O。标准 I/O 被称为高级磁盘 I/O，遵循 ANSI C 相关标准。只要开发环境中有标准 I/O 库，标准 I/O 就可以使用。（Linux 中使用的是 GLIBC，它是标准C库的超集。不仅包含 ANSI C 中定义的函数，还包括 POSIX 标准中定义的函数。因此，Linux 下既可以使用标准 I/O，也可以使用文件 I/O）。
参考本书给出的示例low_open.c和low_read.c，分别利用底层文件 I/O 和 ANSI 标准 I/O 编写文件复制程序。可任意指定复制程序的使用方法。
答：
使用底层文件 I/O（Linux 系统调用）的文件复制程序：
…
使用 ANSI 标准 I/O（标准 C 库）的文件复制程序：
…
编译运行示例：
# 底层 I/O 版本 gcc file_copy_low.c -o fcopy_low ./fcopy_low source.txt dest.txt # 标准 I/O 版本 gcc file_copy_stdio.c -o fcopy_stdio ./fcopy_stdio source.txt dest.txt
本章代码，在TCP-IP-NetworkNote中可以找到，直接点链接可能进不去。
本章仅需了解创建套接字时调用的 socket 函数。
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
/*
成功时返回文件描述符，失败时返回-1
domain: 套接字中使用的协议族（Protocol Family）
type: 套接字数据传输的类型信息
protocol: 计算机间通信中使用的协议信息
*/
通过 socket 函数的第一个参数传递套接字中使用的协议分类信息。此协议分类信息称为协议族，可分成如下几类：
头文件
sys/socket.h中声明的协议族
| 名称 | 协议族 |
|---|---|
| PF_INET | IPv4 互联网协议族 |
| PF_INET6 | IPv6 互联网协议族 |
| PF_LOCAL | 本地通信 Unix 协议族 |
| PF_PACKET | 底层套接字的协议族 |
| PF_IPX | IPX Novell 协议族 |
本书着重讲 PF_INET 对应的 IPv4 互联网协议族。其他协议并不常用，或并未普及。另外，套接字中采用的最终的协议信息是通过 socket 函数的第三个参数传递的。在指定的协议族(第一个参数)和套接字类型(第二个参数)范围内,即可确定第三个参数(具体协议)。
套接字类型指的是套接字的数据传输方式，是通过 socket 函数的第二个参数进行传递，只有这样才能决定创建的套接字的数据传输方式。已经通过第一个参数传递了协议族信息，为什么还要决定数据传输方式？问题就在于，决定了协议族并不能同时决定数据传输方式。换言之， socket 函数的第一个参数 PF_INET 协议族中也存在多种数据传输方式。
如果 socket 函数的第二个参数传递SOCK_STREAM，将创建面向连接的套接字。
传输方式特征整理如下：
这种情形适用于之前说过的 write 和 read 函数
传输数据的计算机通过调用3次 write 函数传递了 100 字节的数据，但是接收数据的计算机仅仅通过调用 1 次 read 函数调用就接收了全部 100 个字节。
收发数据的套接字内部有缓冲（buffer），简言之就是字节数组。只要不超过数组容量，那么数据填满缓冲后通过 1 次 read 函数的调用就可以读取全部，也有可能调用多次来完成读取。
套接字缓冲已满是否意味着数据丢失？
答：缓冲并不总是满的。如果读取速度比数据传入过来的速度慢，则缓冲可能被填满，但是这时也不会丢失数据，因为传输套接字此时会停止数据传输，所以面向连接的套接字不会发生数据丢失。
套接字联机必须一一对应。面向连接的套接字可总结为：
可靠的、按序传递的、基于字节的面向连接的数据传输方式的套接字。
如果 socket 函数的第二个参数传递SOCK_DGRAM，则将创建面向消息的套接字。面向消息的套接字可以比喻成高速移动的摩托车队。特点如下：
面向消息的套接字比面向连接的套接字传输速度更快，但数据可能丢失。特点可总结为：
不可靠的、不按序传递的、以数据的高速传输为目的的套接字。
socket 函数的第三个参数决定最终采用的协议。前面已经通过前两个参数传递了协议族信息和套接字数据传输方式，这些信息还不够吗？为什么要传递第三个参数呢？
可以应对同一协议族中存在的多个数据传输方式相同的协议，所以数据传输方式相同，但是协议不同，需要用第三个参数指定具体的协议信息。
本书用的是 IPv4 的协议族，和面向连接的数据传输，满足这两个条件的协议只有 IPPROTO_TCP ，因此可以如下调用 socket 函数创建套接字，这种套接字称为 TCP 套接字。
int tcp_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
SOCK_DGRAM 指的是面向消息的数据传输方式，满足上述条件的协议只有 IPPROTO_UDP 。这种套接字称为 UDP 套接字：
int udp_socket = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
需要对第一章的代码做出修改，修改好的代码如下：
编译：
gcc tcp_client.c -o hclient
gcc tcp_server.c -o hserver
运行：
./hserver 9190
./hclient 127.0.0.1 9190
结果：
Message from server : Hello World!
Function read call count: 13
从运行结果可以看出服务端发送了13字节的数据，客户端调用13次 read 函数进行读取。
在 Windows 平台下使用套接字需要进行一些初始化工作，这与 Linux 平台有所不同。
Windows 下的套接字称为 Winsock，使用前必须调用 WSAStartup 函数进行初始化：
#include <winsock2.h>
int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);
/*
成功时返回0，失败时返回非0错误代码
wVersionRequested: 程序员请求的Winsock版本，高字节指副版本，低字节指主版本
lpWSAData: 指向WSADATA结构的指针，用于接收Windows Sockets实现的详细信息
*/
使用 Winsock 完成后，应调用 WSACleanup 函数释放资源：
int WSACleanup(void);
/*
成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR
*/
| 特性 | Linux | Windows |
|---|---|---|
| 头文件 | sys/socket.h 等 |
winsock2.h, ws2tcpip.h |
| 初始化 | 无需初始化 | 必须 |
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