C socket

De The Linux Craftsman
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Introduction

Les sockets permettent de connecter deux programmes qui s'exécutent sur deux machines différentes. Cette connexion se fait à travers le réseau grâce à l'utilisation d'un port (TCP ou UDP) et d'une adresse IP.

Il y a deux types de sockets, une qui est démarrée par la partie serveur en écoute et l'autre démarrée par la partie cliente qui se connecte à la première.

Ci-contre une image résumant les différentes étapes pour arriver à l'envoie de données.

Socket workflow.png

Création

Côté serveur

Tout d'abord il faut créer l'objet socket: 

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h> 

int socket(int domain, int type, int protocol)
  • domain → integer, communication domain e.g., AF_INET (IPv4 protocol) , AF_INET6 (IPv6 protocol)
  • type → type de communication
    • SOCK_STREAM: TCP
    • SOCK_DGRAM: UDP
    • SOCK_RAW: socket à l'état brut (bas niveau)
  • protocol → valeur du champ protocol de l'entête de niveau 3 (généralement 0)
  • la valeur de retour est le fichier descripteur de la socket ou -1 en cas d'erreur (errno est positionné)


Une fois le descripteur de socket créé, il est possible de le configurer: 

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h> 

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen)
  • sockfd → le fichier descripteur de la socket;
  • level → niveau d'application de l'option (SOL_SOCKET, TCP, UDP, ...);
  • optname → le nom de l'option (SO_REUSEADDR, SO_REUSEPORT, SO_KEEPALIVE, ...)
  • optval, optlen → utilisé pour accéder aux options de la socket;
  • le code retour varie entre 0 et -1 en cas d'erreur (errno est positionné)

Il existe plusieurs options de socket, les plus utilisées étant :

  • SO_REUSEADDR → permet de réutiliser l'adresse de la socket tout de suite même si cette dernière est dans l'état wait;
  • SO_REUSEPORT → permet de réutiliser le port de la socket tout de suite même si cette dernière est dans l'état wait;
  • SO_KEEPALIVE → envoie des informations périodiquement pour tester si l'extrémité du tunnel est toujours présente;


Il faut maintenant attacher la socket à un port Internet et une adresse IP: 

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)
  • sockfd → le fichier descripteur de la socket;
  • addr → une structure symbolisant l'adresse
struct sockaddr_in {
    short            sin_family;   // e.g: AF_INET
    unsigned short   sin_port;     // e.g: htons(3490)
    struct in_addr   sin_addr;     // détaillé ci-dessous
    char             sin_zero[8];  // '0' habituellement
};
struct in_addr {
    unsigned long s_addr;  // initialiser avec inet_aton()
};
  • addrlen → la taille de l'objet addr;
  • le code retour varie entre 0 et -1 en cas d'erreur (errno est positionné)


On peut maintenant passer la socket en état d'écoute, elle est prête à recevoir des connexions: 

int listen(int sockfd, int backlog)
  • sockfd → le fichier descripteur de la socket;
  • backlog → taille maximum de la file d'attente de la socket après laquelle le système répond avec ECONNREFUSED;
  • le code retour varie entre 0 et -1 en cas d'erreur (errno est positionné)


On peut maintenant attendre une connexion: 

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
  • sockfd → le fichier descripteur de la socket;
  • addr → l'adresse du client;
  • addrlen → la taille de la structure addr;
  • le code retour varie entre un entier positif qui correspond au descripteur de la socket cliente et -1 en cas d'erreur (errno est positionné)

Côté client

Après avoir créé la socket avec socket on peut se connecter à la partie serveur: 

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • sockfd → le fichier descripteur de la socket;
  • addr → une structure symbolisant l'adresse (cf. ci-dessus)
  • addrlen → la taille de l'objet addr;
  • le code retour varie entre 0 et -1 en cas d'erreur (errno est positionné)

Envoie / réception

Fonctions génériques

Tout d'abord, on peut dire que la socket est un fichier et se manipule donc comme un fichier !

Lecture

Pour lire dans une socket on peut utiliser read: 

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • sockfd → le fichier descripteur de la socket;
  • buf → le tableau de caractères ou mettre le message reçu;
  • count → le nombre de caractères à recevoir;
  • le code retour correspond au nombre de caractères reçu ou -1 si une erreur survient (errno est positionné);

Écriture

Pour écrire dans une socket ou peut utiliser write: 

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • sockfd → le fichier descripteur de la socket;
  • buf → le tableau de caractères contenant le message à envoyer;
  • count → le nombre de caractères à envoyer;
  • le code retour correspond au nombre de caractères envoyer ou -1 si une erreur survient (errno est positionné);

Modification

Pour modifier un descripteur fichier de socket on utilise fcntl: 

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* int args */ );
  • sockfd → le fichier descripteur de la socket;
  • cmd → la commande de modification (descripteur, drapeaux, ...);
  • args → les arguments correspondants à la commande

Cette commande va nous permettre de modifier le drapeaux du descripteur de la socket (F_SETFL) pour le rendre non bloquant (O_NONBLOCK) !

Fonctions spécifiques

Il existe des fonctions spécifiques pour manipuler les sockets. Ces fonctions ressemble au précédentes mais acceptent des drapeaux en plus pour pouvoir modifier le descripteur à la volé.

Lecture

Pour lire dans une socket on peut utiliser recv: 

#include <unistd.h>

ssize_t recv(int fd, void *buf, size_t count, int flags);
  • sockfd → le fichier descripteur de la socket;
  • buf → le tableau de caractères ou mettre le message reçu;
  • count → le nombre de caractères à recevoir;
  • flags → liste de drapeaux (eg. O_NONBLOCK);
  • le code retour correspond au nombre de caractères reçu ou -1 si une erreur survient (errno est positionné);

Écriture

Pour écrire dans une socket ou peut utiliser send: 

#include <unistd.h>

ssize_t send(int fd, const void *buf, size_t count);
  • sockfd → le fichier descripteur de la socket;
  • buf → le tableau de caractères contenant le message à envoyer;
  • count → le nombre de caractères à envoyer;
  • flags → liste de drapeaux (eg. MSG_CONFIRM, MSG_DONTWAIT , ...);
  • le code retour correspond au nombre de caractères envoyer ou -1 si une erreur survient (errno est positionné);

Exemples

Serveur mono-utilisateur

Voici un exemple de serveur echo qui renvoie le message au client. 

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <arpa/inet.h>

// Port d'écoute de la socket
#define PORT 8080
// Adresse d'écoute (toutes les adresses)
#define IP INADDR_ANY
// Taille de la file d'attente
#define BACKLOG 3
// Message à envoyer au client
# define WELCOME_MESSAGE "Entrez 'exit' pour quitter\n"
// Taille du tampon de lecture des messages
#define BUFFER_LEN 200
// Commande pour arrêter le serveur
#define EXIT_WORD "exit"

void initAdresse(struct sockaddr_in * adresse);
int initSocket(struct sockaddr_in * adresse);
int waitForClient(int * serverSocket);

int main(void) {
	// Structure contenant l'adresse
	struct sockaddr_in adresse;
	initAdresse(&adresse);
	// Descripteur de la socket du serveur
	int serverSocket = initSocket(&adresse);
	while (1) {
		// Descripteur de la socket du client, on attend une connexion
		int clientSocket = waitForClient(&serverSocket);
		// Envoie du message de bienvenu
		send(clientSocket, WELCOME_MESSAGE, strlen(WELCOME_MESSAGE), 0);
		char buffer[BUFFER_LEN] = "";
		while(strncmp(buffer, EXIT_WORD, 4) != 0){
			int len = read(clientSocket, buffer, BUFFER_LEN);
			// Ajout du terminateur de chaîne
			buffer[len] = '\0';
			// On renvoie le texte au client
			send(clientSocket, "Vous avez dit : ", strlen("Vous avez dit : "), 0);
			send(clientSocket, buffer, strlen(buffer), 0);
		}
		send(clientSocket, "Bye\n", strlen("Bye\n"), 0);
		printf("Fermeture de la connexion avec le client\n");
		close(clientSocket);
	}
	return EXIT_SUCCESS;
}
// Initialisation de la structure sockaddr_in
void initAdresse(struct sockaddr_in * adresse) {
	(*adresse).sin_family = AF_INET;
	(*adresse).sin_addr.s_addr = IP;
	(*adresse).sin_port = htons( PORT);
}
// Démarrage de la socket serveur
int initSocket(struct sockaddr_in * adresse) {
	// Descripteur de socket
	int fdsocket;
	// Nombre d'options
	int opt = 1;
	// Création de la socket en TCP
	if ((fdsocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
		printf("Echéc de la création: %s\n", strerror(errno));
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("Création de la socket\n");
	// Paramètrage de la socket
	if (setsockopt(fdsocket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt,
			sizeof(opt)) != 0) {
		printf("Echéc de paramètrage: %s\n", strerror(errno));
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("Paramètrage de la socket\n");
	// Attachement de la socket sur le port et l'adresse IP
	if (bind(fdsocket, (struct sockaddr *) adresse, sizeof(*adresse)) != 0) {
		printf("Echéc d'attachement: %s\n", strerror(errno));
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("Attachement de la socket sur le port %i\n", PORT);
	// Passage en écoute de la socket
	if (listen(fdsocket, BACKLOG) != 0) {
		printf("Echéc de la mise en écoute: %s\n", strerror(errno));
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("Mise en écoute de la socket\n");
	return fdsocket;
}
// Attente de connexion d'un client
int waitForClient(int * serverSocket) {
	int clientSocket;
	// Structure contenant l'adresse du client
	struct sockaddr_in clientAdresse;
	int addrLen = sizeof(clientAdresse);
	printf("En attente d'une connexion\n");
	if ((clientSocket = accept(*serverSocket, (struct sockaddr*) &clientAdresse,
			(socklen_t*) &addrLen)) == -1) {
		printf("Echéc de la récupération de la socket du client: %s\n",
				strerror(errno));
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	// Convertion de l'IP en texte
	char ip[INET_ADDRSTRLEN];
	inet_ntop(AF_INET, &(clientAdresse.sin_addr), ip, INET_ADDRSTRLEN);
	printf("Connexion de %s:%i\n", ip, clientAdresse.sin_port);
	return clientSocket;
}

Serveur multi-utilisateurs

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