Linux 的套接字編程 （一）

 

一、需要的頭文件

數據類型：#include <sys/types.h>

函數定義：#include <sys/socket.h>

 

 

TCP/IP協議族：PF_INET

TCP/IP的地址族：AF_INET

 

 

二、socke函數

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

 

這一個函數在客戶端和服務器都要使用。 它是這樣被聲明的：

　　返回值的類型與open的相同，一個整數。 FreeBSD從和文件句柄相同的池中分配它的值。 這就是允許套接字被以對文件相同的方式處理的原因。

　　（1）參數domain告訴系統你需要使用什麼 協議族。有許多種協議族存在，有些是某些廠商專有的， 其它的都非常通用。協議族的聲明在sys/socket.h中

　　使用PF_INET是對於 UDP, TCP 和其它 網間協議(IPv4)的情況。

　　（2）對於參數type有五個定義好的值，也在 sys/socket.h中。這些值都以 “SOCK_”開頭。 其中最通用的是SOCK_STREAM， 它告訴系統你正需要一個可靠的流傳送服務 (和PF_INET一起使用時是指 TCP)提供了一個面向連接、可靠的數據傳輸服務，數據無差錯、無重複的發送且按發送順序接收。內設置流量控制，避免數據流淹沒慢的接收方。數據被看作是字節流，無長度限制。

　　如果指定SOCK_DGRAM， 你是在請求無連接報文傳送服務 (在我們的情形中是UDP)數據包以獨立數據包的形式被髮送，不提供無差錯保證，數據可能丟失或重複，順序發送，可能亂序接收。。

　　如何你需要處理基層協議 (例如IP)，對較低層次協議，如IP、ICMP直接訪問或者甚至是網絡接口 (例如，以太網)，你就需要指定 SOCK_RAW。 

　　（3）參數protocol 取決於前兩個參數， 並非總是有意義。在以上情形中，使用取值0。

 

三、Sockaddr 地址結構解析

　　各種各樣的套接字函數需要指定地址，那是一小塊內存空間 (用C語言術語是指向一小塊內存空間的指針)。在 sys/socket.h中有各種各樣如struct sockaddr的聲明。 這個結構是這樣被聲明的：

/*
 * 內核用來存儲大多數種類地址的結構
 */
struct sockaddr {
    u_char   sa_len;     /* 總長度 */
    u_short sa_family;  /* 地址族 */
    char        sa_data[14];    /* 地址值，實際可能更長 */
};
#define SOCK_MAXADDRLEN 255     /* 可能的最長的地址長度 */

　　sys/socket.h提到的各種類型的協議 將被按照地址族對待，並把它們就列在 sockaddr定義的前面：

/* * 地址族 */ #define AF_UNSPEC 0 /* 未指定 */ #define AF_LOCAL 1 /* 本機 (管道，portal) */ #define AF_UNIX AF_LOCAL /* 爲了向前兼容 */ #define AF_INET 2 /* 網間協議: UDP, TCP, 等等 */ #define AF_IMPLINK 3 /* arpanet imp 地址 */ #define AF_PUP 4 /* pup 協議: 例如BSP */ #define AF_CHAOS 5 /* MIT CHAOS 協議 */ #define AF_NS 6 /* 施樂(XEROX) NS 協議 */ #define AF_ISO 7 /* ISO 協議 */ #define AF_OSI AF_ISO #define AF_ECMA 8 /* 歐洲計算機制造商協會 */ #define AF_DATAKIT 9 /* datakit 協議 */ #define AF_CCITT 10 /* CCITT 協議, X.25 等 */ #define AF_SNA 11 /* IBM SNA */ #define AF_DECnet 12 /* DECnet */ #define AF_DLI 13 /* DEC 直接數據鏈路接口 */ #define AF_LAT 14 /* LAT */ #define AF_HYLINK 15 /* NSC Hyperchannel */ #define AF_APPLETALK 16 /* Apple Talk */ #define AF_ROUTE 17 /* 內部路由協議 */ #define AF_LINK 18 /* 協路層接口 */ #define pseudo_AF_XTP 19 /* eXpress Transfer Protocol (no AF) */ #define AF_COIP 20 /* 面向連接的IP, 又名 ST II */ #define AF_CNT 21 /* Computer Network Technology */ #define pseudo_AF_RTIP 22 /* 用於識別RTIP包 */ #define AF_IPX 23 /* Novell 網間協議 */ #define AF_SIP 24 /* Simple 網間協議 */ #define pseudo_AF_PIP 25 /* 用於識別PIP包 */ #define AF_ISDN 26 /* 綜合業務數字網(Integrated Services Digital Network) */ #define AF_E164 AF_ISDN /* CCITT E.164 推薦 */ #define pseudo_AF_KEY 27 /* 內部密鑰管理功能 */ #define AF_INET6 28 /* IPv6 */ #define AF_NATM 29 /* 本徵ATM訪問 */ #define AF_ATM 30 /* ATM */ #define pseudo_AF_HDRCMPLT 31 /* 由BPF使用，就不必在接口輸出例程 * 中重寫頭文件了 */ #define AF_NETGRAPH 32 /* Netgraph 套接字 */ #define AF_SLOW 33 /* 802.3ad 慢速協議 */ #define AF_SCLUSTER 34 /* Sitara 集羣協議 */ #define AF_ARP 35 #define AF_BLUETOOTH 36 /* 藍牙套接字 */ #define AF_MAX 37 

 

用於指定IP的是 AF_INET。這個符號對應着常量 2。

　　在sockaddr中的域 sa_family指定地址族， 從而決定預先只確定下大致字節數的 sa_data的實際大小。

　　特別是當地址族 是AF_INET時，我們可以使用 struct sockaddr_in，這可在 netinet/in.h中找到，任何需要 sockaddr的地方都以此作爲實際替代。

/* * 套接字地址，Internet風格 */ struct sockaddr_in { uint8_t sin_len; sa_family_t sin_family; in_port_t sin_port; struct in_addr sin_addr; char sin_zero[8]; }; 

 

三個重要的域是： sin_family，結構體的字節1 1B； sin_port，16位值，在字節2和3 2B； sin_addr，一個32位整數，表示 IP地址，存儲在字節4-7 4B。

域sin_addr被聲明爲類型 struct in_addr，這個類型定義在 netinet/in.h之中：

/* * Internet 地址 (由歷史原因而形成的結構) */ struct in_addr { in_addr_t s_addr; }; 

 

而in_addr_t是一個32位整數。

　　假設地址192.43.244.18，這是爲了表示32位整數的方便寫法，按每個八位二進制字節列出， 以最高位的字節開始。

傳入參數：

sa.sin_family = AF_INET; sa.sin_port = 13; sa.sin_addr.s_addr = (((((192 << 8) | 43) << 8) | 244) << 8) | 18; 

在不同計算機上會產生不同的效果（所謂的Big Endian和Little Endian）

 

Big Endian - PowerPC，Sparc64,etc

Little Endian - X86

【用函數判斷系統是Big Endian還是Little Endian】 bool IsBig_Endian() //如果字節序爲big-endian，返回true; //反之爲 little-endian，返回false { unsigned short test = 0x1122; if(*( (unsigned char*) &test ) == 0x11) return TRUE; else return FALSE; }//IsBig_Endian() 

所有網絡協議都是採用Big Endian的方式來傳輸數據的，而Intel X86主機採用的是Little Endian，所以我們需要注意這一點

需要使用對應的轉換函數

 

 

IP地址轉換函數

inet_addr()　點分十進制數表示的IP地址轉換爲網絡字節序的IP地址

inet_ntoa()　網絡字節序的IP地址轉換爲點分十進制數表示的IP地址

 

字節排序函數

 

     #include <arpa/inet.h>
     or
     #include <netinet/in.h>

     uint32_t
     htonl(uint32_t hostlong);

     uint16_t
     htons(uint16_t hostshort);

     uint32_t
     ntohl(uint32_t netlong);

     uint16_t
     ntohs(uint16_t netshort);

 

 

三、客戶端函數

（1）connect函數

需要頭文件

 

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> 

 

一旦一個客戶端已經建立了一個套接字， 就需要把它連接到一個遠方系統的一個端口上。

int connect(int s, const struct sockaddr *name, socklen_t namelen); 

 

參數 s 是套接字， 那是由函數socket返回的值。 name 是一個指向 sockaddr的指針，這個結構體我們已經展開討論過了。 最後，namelen通知系統 在我們的sockaddr結構體中有多少字節。

　　如果 connect 成功， 返回 0。否則返回 -1 並將錯誤碼存放於 errno之中。

 

connect函數是阻塞模式函數，除非接受到相關數據否則一直等待，類似的函數還有recvfrom和recv函數

 

四、一個簡單的客戶端程序， 一個從192.43.244.18獲取當前時間並打印到 stdout的程序

/* * daytime.c * * G. Adam Stanislav 編程 */ #include <stdio.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> int main() { register int s; register int bytes; struct sockaddr_in sa; char buffer[BUFSIZ+1]; if ((s = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) { perror("socket"); return 1; } bzero(&sa, sizeof sa); sa.sin_family = AF_INET; sa.sin_port = htons(13); sa.sin_addr.s_addr = htonl((((((192 << 8) | 43) << 8) | 244) << 8) | 18); if (connect(s, (struct sockaddr *)&sa, sizeof sa) < 0) { perror("connect"); close(s); return 2; } while ((bytes = read(s, buffer, BUFSIZ)) > 0) write(1, buffer, bytes); close(s); return 0; } 

 

五、服務器函數

 

      典型的服務器不初始化連接。 相反，服務器等待客戶端呼叫並請求服務。 服務器不知道客戶端什麼時候會呼叫， 也不知道有多少客戶端會呼叫。服務器就是這樣靜坐在那兒， 耐心等待，一會兒，又一會兒， 它突然發覺自身被從許多客戶端來的請求圍困， 所有的呼叫都同時來到。

　　套接字接口提供三個基本的函數處理這種情況，bind，listen，accpet。

（1）bind函數

 

 我們使用bind函數 告訴套接字我們要服務的端口。

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

Sockfd:套接字描述符，指明創建連接的套接字

my_addr:本地地址，IP地址和端口號

addrlen :地址長度

 

（2）Listen函數

繼續我們的辦公室電話類比， 在你告訴電話中心操作員你會在哪個分機後， 現在你走進你的辦公室，確認你自己的電話已插上並且振鈴已被打開。 還有，你確認呼叫等待功能開啓，這樣即使你正在與其它人通話， 也可聽見電話振鈴。

int listen(int s, int backlog);

Sockfd:套接字描述符，指明創建連接的套接字

input_queue_size:該套接字使用的隊列長度,指定在請求隊列中允許的最大請求數 

 

（3）accept函數

 

在你聽見電話鈴響後，你應答呼叫接起電話。 現在你已經建立起一個與你的客戶的連接。 這個連接保持到你或你的客戶掛線。

　　服務器通過使用函數accept函數接受連接。

 

 

 

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

注意，這次 addrlen 是一個指針。 這是必要的，因爲在此情形中套接字要 填上 addr，這是一個 sockaddr_in 結構體。

　　返回值是一個整數。其實， accept 返回一個 新 套接字。你將使用這個新套接字與客戶通信。

　　老套接字會發生什麼呢？它繼續監聽更多的請求 (想起我們傳給listen的變量 backlog了嗎？)，直到我們 close(關閉) 它。

　　現在，新套接字僅對通信有意義，是完全接通的。 我們不能再把它傳給 listen接受更多的連接。

 

Sockfd:套接字描述符，指明正在監聽的套接字

addr:提出連接請求的主機地址

addrlen:地址長度

 

 

六、一個簡單的服務器程序

 

/* * daytimed - 端口 13 的服務器 * * G. Adam Stanislav 編程 * 2001年6月19日 */ #include <stdio.h> #include <string.h> #include <time.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #define BACKLOG 4 int main() { register int s, c; int b; struct sockaddr_in sa; time_t t; struct tm *tm; FILE *client; if ((s = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) { perror("socket"); return 1; } bzero(&sa, sizeof sa); sa.sin_family = AF_INET; sa.sin_port = htons(13); if (INADDR_ANY) sa.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); if (bind(s, (struct sockaddr *)&sa, sizeof sa) < 0) { perror("bind"); return 2; } switch (fork()) { case -1: perror("fork"); return 3; break; default: close(s); return 0; break; case 0: break; } listen(s, BACKLOG); for (;;) { b = sizeof sa; if ((c = accept(s, (struct sockaddr *)&sa, &b)) < 0) { perror("daytimed accept"); return 4; } if ((client = fdopen(c, "w")) == NULL) { perror("daytimed fdopen"); return 5; } if ((t = time(NULL)) < 0) { perror("daytimed time"); return 6; } tm = gmtime(&t); fprintf(client, "%.4i-%.2i-%.2iT%.2i:%.2i:%.2iZ/n", tm->tm_year + 1900, tm->tm_mon + 1, tm->tm_mday, tm->tm_hour, tm->tm_min, tm->tm_sec); fclose(client); } } 

我們開始於建立一個套接字。然後我們填好 sockaddr_in 類型的結構體 sa。注意， INADDR_ANY的特定使用方法：

if (INADDR_ANY) sa.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

 

 

 

 

這個常量的值是0。由於我們已經使用 bzero於整個結構體， 再把成員設爲0將是冗餘。 但是如果我們把代碼移植到其它一些 INADDR_ANY可能不是0的系統上， 我們就需要把實際值指定給 sa.sin_addr.s_addr。多數現在C語言 編譯器已足夠智能，會注意到 INADDR_ANY是一個常量。由於它是0， 他們將會優化那段代碼外的整個條件語句。

　　在我們成功調用bind後， 我們已經準備好成爲一個 守護進程：我們使用 fork建立一個子進程。 同在父進程和子進程裏，變量s都是套接字。 父進程不再需要它，於是調用了close， 然後返回0通知父進程的父進程成功終止。

　　此時，子進程繼續在後臺工作。 它調用listen並設置 backlog 爲 4。這裏並不需要設置一個很大的值， 因爲 daytime 不是個總有許多客戶請求的協議， 並且總可以立即處理每個請求。

　　最後，守護進程開始無休止循環，按照如下步驟：

1. 調用accept。 在這裏等待直到一個客戶端與之聯繫。在這裏， 接收一個新套接字，c， 用來與其特定的客戶通信。

2. 使用 C 語言函數 fdopen 把套接字從一個 低級 文件描述符 轉變成一個 C語言風格的 FILE 指針。 這使得後面可以使用 fprintf。

3. 檢查時間，按 ISO 8601格式打印到 “文件” client。 然後使用 fclose 關閉文件。 這會把套接字一同自動關閉。

　　我們可把這些步驟 概括 起來， 作爲模型用於許多其它服務器：

 

 

 

 

 

這個流程圖很好的描述了順序服務器， 那是在某一時刻只能服務一個客戶的服務器， 就像我們的daytime服務器能做的那樣。 這隻能存在於客戶端與服務器沒有真正的“對話”的時候： 服務器一檢測到一個與客戶的連接，就送出一些數據並關閉連接。 整個操作只花費若干納秒就完成了。

　　這張流程圖的好處是，除了在父進程 fork之後和父進程退出前的短暫時間內， 一直只有一個進程活躍： 我們的服務器不佔用許多內存和其它系統資源。

　　注意我們已經將初始化守護進程 加入到我們的流程圖中。我們不需要初始化我們自己的守護進程 (譯者注：這裏僅指上面的示例程序。一般寫程序時都是需要的。)， 但這是在程序流程中設置signal 處理程序、 打開我們可能需要的文件等操作的好地方。

　　幾乎流程圖中的所有部分都可以用於描述許多不同的服務器。 條目 serve 是個例外，我們考慮爲一個 “黑盒子”， 那是你要爲你自己的服務器專門設計的東西， 並且 “接到其餘部分上”。

　　並非所有協議都那麼簡單。許多協議收到一個來自客戶的請求， 回覆請求，然後接收下一個來自同一客戶的請求。 因此，那些協議不知道將要服務客戶多長時間。 這些服務器通常爲每個客戶啓動一個新進程 當新進程服務它的客戶時， 守護進程可以繼續監聽更多的連接。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

這個流程圖很好的描述了順序服務器， 那是在某一時刻只能服務一個客戶的服務器， 就像我們的daytime服務器能做的那樣。 這隻能存在於客戶端與服務器沒有真正的“對話”的時候： 服務器一檢測到一個與客戶的連接，就送出一些數據並關閉連接。 整個操作只花費若干納秒就完成了。

　　這張流程圖的好處是，除了在父進程 fork之後和父進程退出前的短暫時間內， 一直只有一個進程活躍： 我們的服務器不佔用許多內存和其它系統資源。

　　注意我們已經將初始化守護進程 加入到我們的流程圖中。我們不需要初始化我們自己的守護進程 (譯者注：這裏僅指上面的示例程序。一般寫程序時都是需要的。)， 但這是在程序流程中設置signal 處理程序、 打開我們可能需要的文件等操作的好地方。

　　幾乎流程圖中的所有部分都可以用於描述許多不同的服務器。 條目 serve 是個例外，我們考慮爲一個 “黑盒子”， 那是你要爲你自己的服務器專門設計的東西， 並且 “接到其餘部分上”。

　　並非所有協議都那麼簡單。許多協議收到一個來自客戶的請求， 回覆請求，然後接收下一個來自同一客戶的請求。 因此，那些協議不知道將要服務客戶多長時間。 這些服務器通常爲每個客戶啓動一個新進程 當新進程服務它的客戶時， 守護進程可以繼續監聽更多的連接。