Do pracy programu w roli klienta TCP trzeba w kolejności użyć funkcji:

1. socket do stworzenia gniazda, podając typ SOCK_STREAM i protokół IPPROTO_TCP lub 0
2. connect żeby połączyć utworzone gniazdo pod adres wskazany w argumentach
3. po połączeniu można wysyłać i odbierać dane, np. funkcjami write, send i read, recv
4. shutdown żeby zakończyć połączenie na tym gnieździe
5. close żeby zwolnić zasoby systemowe związane z gniazdem

Zwróć uwagę że socket tworzy gniazdo protokołu TCP, a connect wybiera żeby to gniazdo pełniło rolę klienta.

Aby oczekiwać na przychodzące połączenia TCP konieczne jest stworzenie gniazda do odbierania nowych połączeń.
Takie gniazdo, tzw. gniazdo nasłuchujące (listening), nie umożliwia odbierania ani wysyłania danych – pozwala tylko na odbieranie przychodzących połączeń i tworzy dla każdego nowego połączenia kolejne gniazdo reprezentujące to odebrane połączenie.

Do przygotowania nasłuchującego gniazda należy najpierw stworzyć gniazdo funkcją socket, a następnie wywołać na tym gnieździe funkcję listen, ale: jeśli wcześniej nie ustawi się adresu gniazda, system operacyjny wylosuje efemeryczny port i rozpocznie nasłuch na dowolnym adresie IP na tym porcie. Dlatego przed wywołaniem funkcji listen(…) należy funkcją bind ustawić lokalny adres gniazda. Funkcja bind przyjmuje jako argument wskaźnik na strukturę sockaddr, który musi wskazywać na strukturę opisująca adres z rodziny obsługiwanej przez gniazdo.

Lokalny adres IP nasłuchującego gniazda zwykle ustawia się na dowolny, czyli dla IPv4 adres 0.0.0.0, reprezentowany przez stałą INADDR_ANY.
Inny lokalny adres IP ustawia się, jeśli gniazdo ma odbierać połączenia kierowane tylko na ten właśnie adres – np. 127.0.0.1 (INADDR_LOOPBACK) jeśli połączenia mają być ograniczone do połączeń z tego komputera.

Wywołanie funkcji listen nakazuje systemowi operacyjnemu czekać na połączenia (wybiera że gniazdo ma pełnić rolę serwera). Wykonanie funkcji listen jest natychmiastowe – ta funkcja nie czeka na połączenie, tylko informuje system operacyjny że nowe połączenia przychodzące na ustawiony adres mają być kierowane na to gniazdo.
Argumentem funkcji listen jest ilość nowych połączeń które czekają w kolejce na odebranie (tj. połączeń dla których nie wykonano jeszcze funkcji accept)¹⁾.

Do odebrania nowych połączeń używa się funkcji accept(…). Funkcja accept zwraca nowe gniazdo reprezentujące nawiązane połączenie.

Tworzenie kolejnych deskryptorów plików oraz wyniki lsof, strace i ss są zaprezentowane tutaj

Zadanie 1 Napisz program, który:

1. stworzy gniazdo TCP funkcją socket,
2. stworzy zmienną typu sockaddr_in i wypełni ją wpisując:
   • AF_INET w pole określające rodzinę adresów
   • stałą INADDR_ANY w pole określające adres IPv4
   • wybrany numer portu na którym serwer ma czekać na połączenia w pole określające port
     (pamiętaj o htons do zmiany kolejności bajtów)
3. ustali lokalny adres gniazda funkcją bind
   uwaga: koniecznie sprawdzaj czy funkcja bind się powiodła
   jeśli zobaczysz błąd address already in use, przeczytaj tekst o stanie TIME_WAIT pod zadaniem
4. rozpocznie oczekiwanie na połączenia wywołując funkcję listen
   drugi argument listen określa ile nieodebranych połączeń może naraz czekać w systemie; tutaj wystarczy 1
5. zaakceptuje połączenie funkcją accept
   na razie drugi i trzeci argument funkcji accept ustaw na 0 lub nullptr
6. wynik funkcji accept to deskryptor nowego gniazda, połączonego z klientem
   (w tym momencie możesz już zamknąć gniazdo nasłuchujące na połączenia)
7. wyśle do gniazda połączonego z klientem stały ciąg znaków (np. hello)
8. zakończy połączenie z klientem funkcją shutdown i zamknie deskryptor pliku funkcją close

#include <arpa/inet.h>
#include <cstdio>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
 
int main(int argc, char **argv) {
 
    return 0;
}

System operacyjny śledzi w jakim stanie jest połączenie TCP.
Poniższa ilustracja pokazuje kolejne stany połączenia po wykonaniu shutdown z argumentem SHUT_WR lub SHUT_RDWR:

Jeżeli potwierdzenie zamknięcia połączenia nie dotrze (bo np. pakiet z tą informacją został zgubiony w sieci), to po upływie określonego czasu system operacyjny ponownie wyśle informację o zamknięciu połączenia:

Dla systemu operacyjnego port który był wykorzystany w tym połączeniu jest uznawany za zajęty, więc domyślnie system nie pozwoli uruchomić serwera na tym porcie. Można zmienić to zachowanie ustawiając dla gniazda opcję SO_REUSEADDR, która pozwala użyć adresu (IP i portu) mimo tego ze jakieś połączenie w stanie TIME_WAIT go jeszcze używa.
Poniższy kod ustawia opcję SO_REUSEADDR dla gniazda sockFd:

const int one = 1;
setsockopt(sockFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &one, sizeof(one));

Zadanie 2 Zmodyfikuj program z poprzedniego zadania tak, by ustawiał opcję SO_REUSEADDR.
Sprawdź czy teraz możesz uruchomić serwer natychmiast po zakończeniu jego poprzedniego uruchomienia.

Zadanie 3 Zmodyfikuj program z poprzedniego zadania tak, by w pętli obsługiwał kolejne połączenia.

Funkcja accept może przekazać informację o adresie z którego nawiązano połączenie. W tym celu należy jej podać:

• jako drugi argument informację gdzie ma zapisać ten adres – tj. podać adres struktury którą ta funkcja ma wypełnić
  accept oczekuje typu sockaddr*, ale wskazuje mu się zmienną typu spodziewanego adresu (np. sockaddr_in)
• trzeci argument to ilość bajtów struktury z adresem, która jest czytana i nadpisywana przez accept
  czyli: trzeba podać adres zmiennej, która w momencie wywołania accept ma wpisany rozmiar przekazanej struktury,
  a po wyjściu z funkcji accept będzie mieć informację ile bajtów zostało tam wpisane przez accept

sockaddr_in cliAddr;
socklen_t cliAddrSize = sizeof(cliAddr);
client = accept(ssock, (sockaddr*)&cliAddr, &cliAddrSize);

Zadanie 4 Dodaj do programu wyświetlanie z jakiego adresu IP i numeru portu nawiązano połączenie.
Funkcje zmieniające adres IP zapisany jako liczba na tekst to inet_ntoa i inet_ntop

Zadanie 5 Zmień logikę serwera tak, by zamiast wysyłać stały tekst, odbierał od klienta (do zamknięcia połączenia przez klienta) dane i jeżeli serwer odbierze tekst:

• data, to odeśle klientowi bieżącą datę i godzinę
• id, to odeśle klientowi liczbę większą o 1 od poprzednio wysłanej liczby

Przykład minimalistycznego iteracyjnego serwera jednej gry w kółko i krzyżyk (bez sprawdzania warunku końca)

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <algorithm>
 
#define CHECK(code, txt) if(code==-1) {perror(txt); return 1;}
enum ttt:char{e='.',X='x',O='o'} map[3][4]{{e,e,e},{e,e,e},{e,e,e}};
#define MAP_TO_BUF sprintf(buf, "\n 012\n0%s\n1%s\n2%s\n\n",\
                                (char*)map[0],(char*)map[1],(char*)map[2]);
int main(){
    int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0), one = 1;       CHECK(s, "socket");
    setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &one, sizeof(one));
    sockaddr_in saddr{AF_INET, htons(3003), {htonl(INADDR_ANY)}};
    int rv = bind(s, (sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));      CHECK(rv, "bind");
    rv = listen(s, 1);                                     CHECK(rv, "listen");
    int c1 = accept(s, nullptr, nullptr);               CHECK(c1, "accept c1");
    write(c1, "Poczekaj na drugiego gracza\n", 28);
    int c2 = accept(s, nullptr, nullptr);               CHECK(c2, "accept c2");
    close(s);
    for(;;std::swap(c1,c2)){
        write(c2, "Ruch przeciwnika.\n", 18);
        write(c1, "Podaj x i y oddzielone spacją (zakres 0-2)\n", 44);
        char buf[256]{}; unsigned x=3, y=3;
        read(c1, buf, 255);
        sscanf(buf, "%u%u", &x, &y);
        if (x<3&&y<3 && map[y][x]==e) map[y][x]=c1<c2?X:O; MAP_TO_BUF;
        rv = write(c2, buf, 22);         // program zakończy się kiedy dostanie
        rv = write(c1, buf, 22);         // sygnał SIGPIPE przy próbie zapisu
    }                                    // do zamkniętego gniazda
}