Linux网络编程基础试验

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了解SOCKET编程,熟悉C/S模式服务器和客户端。

试验二Linux网络编程基础试验（4学时）

一、试验目的

了解TCP/IP协议通信的基本原理；

把握Socket网络通信应用程序接口；

把握TCP、UDP简单网络程序（服务器端和客户端）的编程方法；理解I/O复用模型。

二、试验内容

UDP客户端程序设计；

TCP客户端程序设计；

简易Web服务器程序设计。

三、预备知识

Linux操作系统应用、C语言程序设计

四、试验设备及工具

硬件：PC机1台。

软件：虚拟机Linux，Gcc，VIM。

五、试验原理

程序进行网络通信时，是通过IP地址和套接字来访问一个主机的。

1.IP地址

IP地址的作用是标识计算机的网卡地址，每一台计算机都有一个IP地址。在程序中是通过IP地址来访问一台计算机的。IP地址是32位长度的二进制数值，存储空间是4个字节。例如11000000

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101010000000000100000110是一台计算机的IP地址。IP地址可以使用点分十进制来表示，。

2.端口

所谓端口，是指计算机中为了标识在计算机中访问网络的不同程序而设的编号。端口号是一个16位的无符号整数，对应的十进制取值范围是0~65535。

3.TCP与UDP

TCP与UDP是两种不同的网络传输方式。两个不同计算机中的程序，使用IP地址和端口，要使用一种约定的方法进行数据传输。TCP与UDP就是网络中的两种数据传输约定，主要的区别是进行数据传输时是否进行连接。

TCP：TCP是一种面向连接的网络传输方式。这种方式是可靠的，缺点是传输过程繁杂，需要占用较多的网络资源。

UDP：UDP是一种不面向连接的传输方式。对传输可靠性要求不高时，可以选择使用这种传输方式。

4.套接字

区分不同应用程序进程间的网络通信和连接，主要使用3个参数。通信的目的IP地址、使用的传输层协议（TCP或UDP）和使用的端口号。在编程时，就是使用这三个参数来构成一个套接字。这个套接字相当于一个接口，可以进行不同计算机程序的信息传输。

套接字相关的数据类型：

sockaddr用来保存一个套接字，定义方法如下所示。

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structsockaddr{

//指定通信的地址类型。假使是TCP/IP通信，则该值为

AF_INET。

unsignedshortintsa_family;

//最多使用14个字符长度，用来保存IP地址和端口信息。charsa_data[14];

};

socketaddr_in为了便利初始化端口号、IP地址等信息。

structsocketaddr_in{

unsignedshortintsin_family;

uint16_tsin_port;//套接字使用的端口号

structin_addrsin_addr;//需要访问的IP地址

unsignedcharsin_zero[8];//未使用的字段，填充为0

};

套接字类型指的是在网络通信中不同的数据传输方式。例如UDP和TCP就是两种不同的套接字类型。常用的套接字类型有面3种：流套接字（SOCK_STREAM）、数据报套接字（SOCK_DGRAM）、原始套接字（SOCK_RAW）。

5.重要的SocketAPI

（1）socket（建立一个socket通信）

相关函数accept，bind，connect，listen

表头文件#includesys/types.h

#includesys/socket.h

定义函数intsocket(intdomain,inttype,intprotocol);

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函数说明socket()用来建立一个新的socket，也就是向系统注册，通知系

统建立一通信端口。参数domain指定使用何种的地址类型，

完整的定义在/usr/include/bits/socket.h内，底下是常见的协议:

PF_UNIX/PF_LOCAL/AF_UNIX/AF_LOCALUNIX进程通信

协议

PF_INET?AF_INETIpv4网络协议

PF_INET6/AF_INET6Ipv6网络协议

PF_IPX/AF_IPXIPX-Novell协议

PF_NETLINK/AF_NETLINK核心用户接口装置

PF_X25/AF_X25ITU-TX.25/ISO-8208协议

PF_AX25/AF_AX25业余无线AX.25协议

PF_ATMPVC/AF_ATMPVC存取原始ATMPVCs

PF_APPLETALK/AF_APPLETALKappletalk（DDP）协议

PF_PACKET/AF_PACKET初级封包接口

参数type有以下几种数值:

SOCK_STREAM提供双向连续且可信赖的数据流，即TCP。

支持

OOB机制，在所有数据传送前必需使用connect()来建立连线

状态。

SOCK_DGRAM使用不连续不可信赖的数据包连接

SOCK_SEQPACKET提供连续可信赖的数据包连接

SOCK_RAW提供原始网络协议存取

SOCK_RDM提供可信赖的数据包连接

SOCK_PACKET提供和网络驱动程序直接通信。

protocol用来指定socket所使用的传输协议编号，寻常此参考

不用管它，设为0即可。

返回值成功则返回socket处理代码，失败返回-1。

错误代码EPROTONOSUPPORT参数domain指定的类型不支持参数

type或protocol指定的协议

ENFILE核心内存不足，无法建立新的socket结构

EMFILE进程文件表溢出，无法再建立新的socket

EACCESS权限不足，无法建立type或protocol指定的协议

ENOBUFS/ENOMEM内存不足

EINVAL参数domain/type/protocol不合法

（2）bind（绑定socket）

相关函数socket，accept，connect，listen

表头文件#includesys/types.h

#includesys/socket.h

定义函数intbind(intsockfd,structsockaddr*my_addr,intaddrlen);

函数说明bind()用来设置给参数sockfd的socket一个名称。此名称由参数my_addr指向一

sockaddr结构，对于不同的socketdomain定义了一个通用的数据结构

structsockaddr

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{

unsignedshortintsa_family;

charsa_data[14];

};

sa_family为调用socket（）时的domain参数，即AF_xxxx值。

sa_data最多使用14个字符长度。

此sockaddr结构会因使用不同的socketdomain而有不同结构定义，例如使用

AF_INETdomain，其socketaddr结构定义便为

structsocketaddr_in

{

unsignedshortintsin_family;

uint16_tsin_port;

structin_addrsin_addr;

unsignedcharsin_zero[8];

};

structin_addr

{

uint32_ts_addr;

};

sin_family即为sa_family

sin_port为使用的port编号

sin_addr.s_addr为IP地址

sin_zero未使用。

参数addrlen为sockaddr的结构长度。

返回值成功则返回0，失败返回-1，错误原因存于errno中。

错误代码EBADF参数sockfd非合法socket处理代码。

EACCESS权限不足

ENOTSOCK参数sockfd为一文件描述词，非socket。

（3）listen（等待连接）

相关函数socket，bind，accept，connect

表头文件#includesys/socket.h

定义函数intlisten(ints,intbacklog);

函数说明listen()用来等待参数s的socket连线。参数backlog指定同时能处理的最大连接要

求，假使连接数目达此上限则client端将收到ECONNREFUSED的错误。Listen()

并未开始接收连线，只是设置socket为listen模式，真正接收client端连线的是

accept()。寻常listen()会在socket()，bind()之后调用，接着才调用accept()。

返回值成功则返回0，失败返回-1，错误原因存于errno

附加说明listen()只适用SOCK_STREAM或SOCK_SEQPACKET的socket类型。假使socket

为AF_INET则参数backlog最大值可设至128。

错误代码EBADF参数sockfd非合法socket处理代码

EACCESS权限不足

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EOPNOTSUPP指定的socket并未支援listen模式。

（4）connect（建立socket连接）

相关函数socket，bind，listen

表头文件#includesys/types.h

#includesys/socket.h

定义函数intconnect(intsockfd,structsockaddr*serv_addr,intaddrlen);

函数说明connect()用来将参数sockfd的socket连至参数serv_addr指定的网络地址。结构

sockaddr请参考bind()。参数addrlen为sockaddr的结构长度。

返回值成功则返回0，失败返回-1，错误原因存于errno中。

错误代码EBADF参数sockfd非合法socket处理代码

EFAULT参数serv_addr指针指向无法存取的内存空间

ENOTSOCK参数sockfd为一文件描述词，非socket。

EISCONN参数sockfd的socket已是连线状态

ECONNREFUSED连线要求被server端拒绝。

ETIMEDOUT企图连线的操作超过限定时间仍未有响应。

ENETUNREACH无法传送数据包至指定的主机。

EAFNOSUPPORTsockaddr结构的sa_family不正确。

EALREADYsocket为不可阻断且从前的连线操作还未完成。

（5）accept（接受socket连线）

相关函数socket，bind，listen，connect

表头文件#includesys/types.h

#includesys/socket.h

定义函数intaccept(ints,structsockaddr*addr,int*addrlen);

函数说明accept()用来接受参数s的socket连线。参数s的socket必需先经bind()、listen()

函数处理过，当有连线进来时accept()会返回一个新的socket处理代码，往后的数

据传送与读取就是经由新的socket处理，而原来参数s的socket能继续使用accept()

来接受新的连线要求。连线成功时，参数addr所指的结构会被系统填入远程主机

的地址数据，参数addrlen为scokaddr的结构长度。关于结构sockaddr的定义请参

考bind()。

返回值成功则返回新的socket处理代码，失败返回-1，错误原因存于errno中。

错误代码EBADF参数s非合法socket处理代码。

EFAULT参数addr指针指向无法存取的内存空间。

ENOTSOCK参数s为一文件描述词，非socket。

EOPNOTSUPP指定的socket并非SOCK_STREAM。

EPERM防火墙拒绝此连线。

ENOBUFS系统的缓冲内存不足。

ENOMEM核心内存不足。

（6）send（经socket传送数据）

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相关函数sendto，sendmsg，recv，recvfrom，socket

表头文件#includesys/types.h

#includesys/socket.h

定义函数intsend(ints,constvoid*msg,intlen,unsignedintfalgs);

函数说明send()用来将数据由指定的socket传给对方主机。参数s为已建立好连接的socket。

参数msg指向欲连线的数据内容，参数len则为数据长度。参数flags一般设0，

其他数值定义如下

MSG_OOB传送的数据以out-of-band送出。

MSG_DONTROUTE取消路由表查询

MSG_DONTWAIT设置为不可阻断运作

MSG_NOSIGNAL此动作不愿被SIGPIPE信号中断。

返回值成功则返回实际传送出去的字符数，失败返回-1。错误原因存于errno

错误代码EBADF参数s非合法的socket处理代码。

EFAULT参数中有一指针指向无法存取的内存空间

ENOTSOCK参数s为一文件描述词，非socket。

EINTR被信号所中断。

EAGAIN此操作会令进程阻断，但参数s的socket为不可阻断。

ENOBUFS系统的缓冲内存不足

ENOMEM核心内存不足

EINVAL传给系统调用的参数不正确。

（7）sendto（经socket传送数据）

相关函数send,sendmsg,recv,recvfrom,socket

表头文件#includesys/types.h

#includesys/socket.h

定义函数intsendto(ints,constvoid*msg,intlen,unsignedintflags,const

structsockaddr*to,inttolen);

函数说明sendto()用来将数据由指定的socket传给对方主机。参数s为已建好连线的socket,

假使利用UDP协议则不需经过连线操作。参数msg指向欲连线的数据内容，参数

flags一般设0，详细描述请参考send()。参数to用来指定欲传送的网络地址，结

构sockaddr请参考bind()。参数tolen为sockaddr的结果长度。

返回值成功则返回实际传送出去的字符数，失败返回－1，错误原因存于errno中。

错误代码同send。

（8）recv（经socket接收数据）

相关函数recvfrom，recvmsg，send，sendto，socket

表头文件#includesys/types.h

#includesys/socket.h

定义函数intrecv(ints,void*buf,intlen,unsignedintflags);

函数说明recv()用来接收远端主机经指定的socket传来的数据，并把数据存到由参数buf指

向的内存空间，参数len为可接收数据的最大长度。

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参数flags一般设0。其他数值定义如下:

MSG_OOB接收以out-of-band送出的数据。

MSG_PEEK返回来的数据并不会在系统内删除，假使再调用recv()会返回一致的

数据内容。

MSG_WAITALL强迫接收到len大小的数据后才能返回，除非有错误或信号产生。

MSG_NOSIGNAL此操作不愿被SIGPIPE信号中断返回值成功则返回接收到的字

符数，失败返回-1，错误原因存于errno中。

错误代码同send

（9）recvfrom（经socket接收数据）

相关函数recv，recvmsg，send，sendto，socket

表头文件#includesys/types.h

#includesys/socket.h

定义函数intrecvfrom(ints,void*buf,intlen,unsignedintflags,structsockaddr*from,int

*fromlen);

并把数据存到由参数buf指函数说明recv()用来接收远程主机经指定的socket传来的数据，

向的内存空间，参数len为可接收数据的最大长度。参数flags一般设0，其他数

值定义请参考recv()。参数from用来指定欲传送的网络地址，结构sockaddr请参

考bind()。参数fromlen为sockaddr的结构长度。

返回值成功则返回接收到的字符数，失败则返回-1，错误原因存于errno中。

错误代码同send。

（10）select（I/O复用机制）

表头文件#includesys/time.h

#includesys/types.h

#includeunistd.h

定义函数intselect(intn,fd_set*readfds,fd_set*writefds,fd_set*exceptfds,structtimeval*

timeout);

函数说明select()用来等待文件描述词状态的改变。参数n代表最大的文件描述词加1，参数

readfds、writefds和exceptfds称为描述词组，是用来回传该描述词的读，写或例

外的状况。底下的宏提供了处理这三种描述词组的方式:

FD_CLR(inrfd,fd_set*set)；用来清除描述词组set中相关fd的位

FD_ISSET(intfd,fd_set*set)；用来测试描述词组set中相关fd的位是否为真

FD_SET（intfd,fd_set*set）；用来设置描述词组set中相关fd的位

FD_ZERO（fd_set*set）；用来清除描述词组set的全部位

参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间，其结构定义如下

structtimeval

{

time_ttv_sec;

time_ttv_usec;

};

返回值假使参数timeout设为NULL则表示select（）没有timeout。

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错误代码执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数，假使返回0代表在描述词状态改

变前已超过timeout时间，当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参

数readfds，writefds，exceptfds和timeout的值变成不可预计。

EBADF文件描述词为无效的或该文件已关闭

EINTR此调用被信号所中断

EINVAL参数n为负值。

ENOMEM核心内存不足

范例常见的程序片段:fs_setreadset；

FD_ZERO(readset);

FD_SET(fd,readset);

select(fd+1,readset,NULL,NULL,NULL);

if(FD_ISSET(fd,readset){……}

6.其他函数

（1）inet_ntoa函数说明：

函数将网络字节排序的地址转换为标准的ASCII以点分开的地址（格式如：ddd.ddd.ddd.ddd）。

1）函数原型：

char*inet_ntoa(structin_addrin);

2）函数相关头文件：

#includesys/socket.h

#includenetinet/in.h

#includearpa/inet.h

3）函数的参数说明：

in：待转换的IP地址结构。

4）函数返回值：

该函数返回指向点分开的字符串地址的指针，该字符串的空间为静态分派的，这意味着在其次次调用该函数时，上一次调用将会被重写（复盖），所以适当的时候需要保存该串。

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（2）inet_addr函数说明：

函数转换网络主机地址（如0)为网络字节序二进制值。

1）函数原型：

in_addr_tinet_addr(constchar*cp);

2）函数相关头文件：

同（1）。

3）函数的参数说明：

cp为待转换的IP地址字符串指针。

4）函数返回值：

假使参数char*cp无效，函数返回-1(INADDR_NONE)，这个函数在处理地址为55时也返回－1。

inet_aton和inet_ntoa只能用来来处理IPv4版本的网络字节和主机字节之间的转换。函数inet_pton和inet_ntop能够兼容地处理IPv4和IPv6。

（3）inet_pton函数说明

1）函数原型：

intinet_pton(intaf,constchar*src,void*dst);

2）函数相关头文件：

#includesys/types.h

#includesys/socket.h

#includearpa/inet.h

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3）函数的参数说明：

函数转换ASCII类型的地址到网络字节序二进制结构。

af：协议族；

src：待转换IP地址指针，指向字符型的地址；

dst：转换结果，网络顺序格式的地址。

4）函数返回值：

执行成功返回1；假使函数出错将返回-1，并将errno设置为

EAFNOSUPPORT；假使参数af指定的地址族和src格式不对，函数将返回0。

（4）inet_ntop函数说明：

函数转换网络字节序二进制结构到ASCII类型的地址。

1）函数原型：

constchar*inet_ntop(intaf,constvoid*src,char*dst,socklen_tcnt);

2）函数相关头文件：

同inet_pton。

3）函数的参数说明：

cnt为缓冲区dst的大小；其它同inet_pton。

4）函数返回值：

成功时返回字符地址的指针；出错时则返回一个空指针，并将errno置为ENOSPC。

（5）.存储顺序转换

由于每一个机器内部对变量的字节存储顺序不同（分为大端和小

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端存储），而网络传输的数据一定是统一的顺序，即网络字节顺序。所以要调用转换函数，将网络中传输的字节顺序进行统一。

头文件netinet/in.h中定义了一组转换函数，原型如下：uint16_thtons(uint16_thost16bitvalue);

“HosttoNetworkShort〞主机字节顺序转换为网络字节顺序（对无符号短型进行操作4bytes）。

uint32_thtonl(uint32_thost32bitvalue);

“HosttoNetworkLong〞主机字节顺序转换为网络字节顺序（对无符号长型进行操作8bytes）。

以上两个函数均返回网络字节序。

uint16_tntohs(uint16_tnet16bitvalue);

“NetworktoHostShort〞网络字节顺序转换为主机字节顺序（对无符号短型进行操作4bytes）。

uint32_tntohl(uint32_tnet32bitvalue);

“NetworktoHostLong〞网络字节顺序转换为主机字节顺序（对无符号长型进行操作8bytes）。

以上两个函数均返回主机字节序。

五、试验步骤

0、准备工作

将虚拟机网络连接设置为桥接方式（自定义-VMnet0）；在虚拟机Linux系统中设置网络设备设置为自动获取IP地址方式（DHCP），让后通过ipconfig命令查看eth0的IP地址，并记录。步骤

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为：RedHat主菜单-系统设置-网络，编辑按钮，选择单项选择按钮“自动获取IP地址设置使用〞。

设置完毕的检测方法：可以两个同学之间使用ping命令相互测试。

1、UDP客户端程序设计

设计一个基于UDP协议（SOCK_DGRAM类型套接字）的客户端程序。程序的功能为，向教师机服务器端程序发送字符串（内容：学号+姓名）。服务器端的IP地址默认为17（或临时通知），端口号为5555。

（1）使用Linux下的VIM编写代码。参考程序udpclient.c：//*****UDPClient.c#includesys/types.h#includesys/socket.h#includenetinet/in.h#includeerrno.h#includetime.h#includestring.h#includestdio.h#defineBUFFLEN1024#defineSERVER_PORT5555intmain(intargc,char*argv[]){

ints;

structsockaddr_inserver;

time_tnow;

charbuff[BUFFLEN];

intn=0;

intlen=0;

s=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);

if(s0){

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fprintf(stderr,SocketError:%s\n,strerror(errno));

exit(1);

}

memset(server,0,sizeof(server));server.sin_family=AF_INET;

//服务器端IP地址,请根据需要进行设定

if(argv[1]){

server.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);

}else{

server.sin_addr.s_addr=inet_addr(17);

}

server.sin_port=htons(SERVER_PORT);memset(buff,0,BUFFLEN);

strcpy(buff,1089114100学生姓名全拼);

sendto(s,buff,strlen(buff),0,(structsockaddr*)server,

sizeof(server));memset(buff,0,BUFFLEN);

len=sizeof(server);

n=recvfrom(s,buff,BUFFLEN,0,(structsockaddr*)server,len);if(n0){

printf(Received:%s\n,buff);

}

close(s);

return0;

}

（2）在终端窗口中对程序进行编译。命令如下：

makeudpclient

如无错误，将会产生test2udpclient可执行文件，运行./udpclient,观测教师机服务端。

2、TCP客户端程序设计

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本页已使用福昕阅读器进行编辑。

福昕软件（Ｃ）２００５－２００９，版权所有，

仅供试用。

在上述试验中，假使服务器端故障或网络线路故障，将导致的数据发送不成功称为丢包，但这样的错误，UDP客户端程序却无从觉察，同时客户端也无法获知服务器端是否准备就绪。设计一个基于TCP协议（SOCK_STREAM类型套接字）的客户端程序。程序的功能为，向教师机服务器端程序发送字符串（内容：学号+姓名）。服务器端的IP地址默认为17（或临时通知），端口号为6666。程序中增加对connect函数连接成功与否的判断，连接成功后发送上述字符串，反之提醒连接错误信息。

（1）使用Linux下的VIM编写代码。参考程序tcpclient.c：/*******客户端程序TCPClient.c************/#includestdlib.h#includestdio.h#includeerrno.h#includestring.h#includenetdb.h#includesys/types.h#includenetinet/in.h#includesys/socket.h#defineBUFFLEN1024

#defineSERVER_PORT6666intmain(intargc,char*argv[]){

intsockfd;

charbuffer[BUFFLEN];

structsockaddr_inserver_addr;intn;

/*客户程序开始建立sockfd描述符*/

if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1){

fprintf(stderr,SocketError:%s\a\n,strerror(errno));

exit(1);

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}/*客户程序填充服务端的资料*/

bzero(server_addr,sizeof(server_addr));

server_addr.sin_family=AF_INET;

server_addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);

if(argv[1]){

server_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);

}else{

server_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(17);}/*客户程序发起连接请求*/

if(connect(sockfd,(structsockaddr*)(server_addr),sizeof(structsockaddr))==-1){fprintf(stderr,ConnectError:%s\a\n,strerror(errno));

exit(1);

}else{

printf(OK:connectsuccess!\n);}/*连接成功*/

memset(buffer,0,BUFFLEN);

strcpy(buffer,1089114100学生姓名的全拼);

send(sockfd,buffer,strlen(buffer),0);

memset(buffer,0,BUFFLEN);n=recv(sockfd,buffer,BUFFLEN,0);if(n0){printf(Received:%s\n,buffer);

}

/*终止通讯*/

close(sockfd);

exit(0);

}

（2）在终端窗口中对程序进行编译。命令如下：

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maketcpclient

如无错误，将会产生tcpclient可执行文件，两次运行./tcpclient，第一次给出一个错误的服务器端IP地址或端口号，观测本机错误提醒信息，验证TCP为可靠连接方式；其次次给出正确的服务器IP地址和端口号，观测教师机服务端。

3、简易Web服务器

设计一个简易Web服务器程序，端口为80，该服务器程序运行后可通过浏览器访问到一个简易Web页面，页面主要信息为本人“学号+姓名〞。可同学之间相互访问验证。

（1）编写代码。简易Web服务器参考程序websvr.c：/*简易Web服务器程序*/#includestdlib.h#includestdio.h#includeerrno.h#includestring.h#includesys/types.h

#includenetinet/in.h

#includesys/wait.h

#includesys/socket.h#definePORT80

#defineBACKLOG10#defineLENGTH1024

charhttpweb[]={HTTP/1.0200OK\r\nDate:Sun,17Apr20232023:10:00GMT\r\nServer:tinyHttp/1.00891141Corporation\r\nAccept-Ranges:bytes\r\nConnection:Keep-Close\r\n

Content-Type:text/html\r\n

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charweb[]={

HTML\r\nHEAD\r\n

TITLE演示网页/TITLE\r\n

BODYaLink=greenbgColor=#f1f1ddlink=red\r\nvLink=#321afd\r\n

H1HELLOWELCOMETOEMBEDDED

WEBSERVER/H1\r\n

/HTML\r\n

};intmain(){

intsockfd;

//Socketfiledescriptor

intnsockfd;

//NewSocketfiledescriptor

inti,num;

intflag=1;

intsin_size;

//tostorestructsize

charrevbuf[LENGTH];

structsockaddr_inaddr_local;

structsockaddr_inaddr_remote;/*GettheSocketfiledescriptor*/

if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1){printf(ERROR:CannotobtainSocketDespcritor\n);return(0);

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