Linux下Socket编程

我就是我 2022-09-19 12:20 205阅读 0赞

**Linux下Socket编程**

**什么是Socket**  
　　 Socket接口是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Socket接口。  
　 　Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。如果了解Unix系统的输入和输出的话，就很容易了解Socket了。网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket()，该函数返 回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。常用的Socket类型有两种：流式Socket （SOCK\_STREAM）和数据报式Socket（SOCK\_DGRAM）。流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据 报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

**Socket建立**  
　　 为了建立Socket，程序可以调用Socket函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。socket函数原型为：  
　　 int socket(int domain, int type, int protocol);  
　 　 domain指明所使用的协议族，通常为PF\_INET，表示互联网协议族（TCP/IP协议族）；type参数指定socket的类型： SOCK\_STREAM 或SOCK\_DGRAM，Socket接口还定义了原始Socket（SOCK\_RAW），允许程序使用低层协议；protocol通常赋值 "0"。 Socket()调用返回一个整型socket描述符，你可以在后面的调用使用它。  
　　 Socket描述符是一个指向内部数据结构的指针，它指向描述符表入口。调用Socket函数时，socket执行体将建立一个Socket，实际上 "建立一个Socket"意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。Socket执行体为你管理描述符表。  
　　两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。Socket数据结构中包含这五种信息。

**Socket配置**  
　 　 通过socket调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传输以前，必须配置该socket。面向连接的socket客户端通过 调用Connect函数在socket数据结构中保存本地和远端信息。无连接socket的客户端和服务端以及面向连接socket的服务端通过调用 bind函数来配置本地信息。  
Bind函数将socket与本机上的一个端口相关联，随后你就可以在该端口监听服务请求。Bind函数原型为：  
　　 int bind(int sockfd,struct sockaddr \*my\_addr, int addrlen);  
　　 Sockfd是调用socket函数返回的socket描述符,my\_addr是一个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针；addrlen常被设置为sizeof(struct sockaddr)。  
　　 struct sockaddr结构类型是用来保存socket信息的：  
　　 struct sockaddr \{  
　　 unsigned short sa\_family; /\* 地址族， AF\_xxx \*/  
char sa\_data\[14\]; /\* 14 字节的协议地址 \*/  
\};  
　　 sa\_family一般为AF\_INET，代表Internet（TCP/IP）地址族；sa\_data则包含该socket的IP地址和端口号。  
　　 另外还有一种结构类型：  
　　 struct sockaddr\_in \{  
　　 short int sin\_family; /\* 地址族 \*/  
　　 unsigned short int sin\_port; /\* 端口号 \*/  
　　 struct in\_addr sin\_addr; /\* IP地址 \*/  
　　 unsigned char sin\_zero\[8\]; /\* 填充0 以保持与struct sockaddr同样大小 \*/  
　　 \};  
　 　这个结构更方便使用。sin\_zero用来将sockaddr\_in结构填充到与struct sockaddr同样的长度，可以用bzero()或memset()函数将其置为零。指向sockaddr\_in 的指针和指向sockaddr的指针可以相互转换，这意味着如果一个函数所需参数类型是sockaddr时，你可以在函数调用的时候将一个指向 sockaddr\_in的指针转换为指向sockaddr的指针；或者相反。  
　　使用bind函数时，可以用下面的赋值实现自动获得本机IP地址和随机获取一个没有被占用的端口号：  
　　 my\_addr.sin\_port = 0; /\* 系统随机选择一个未被使用的端口号 \*/  
　　 my\_addr.sin\_addr.s\_addr = INADDR\_ANY; /\* 填入本机IP地址 \*/  
通过将my\_addr.sin\_port置为0，函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用。同样，通过将my\_addr.sin\_addr.s\_addr置为INADDR\_ANY，系统会自动填入本机IP地址。  
注意在使用bind函数是需要将sin\_port和sin\_addr转换成为网络字节优先顺序；而sin\_addr则不需要转换。  
　　计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先。Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器，在Internet上传输数据时就需要进行转换，否则就会出现数据不一致。  
　　 下面是几个字节顺序转换函数：  
·htonl()：把32位值从主机字节序转换成网络字节序  
·htons()：把16位值从主机字节序转换成网络字节序  
·ntohl()：把32位值从网络字节序转换成主机字节序  
·ntohs()：把16位值从网络字节序转换成主机字节序  
　　 Bind()函数在成功被调用时返回0；出现错误时返回 "-1"并将errno置为相应的错误号。需要注意的是，在调用bind函数时一般不要将端口号置为小于1024的值，因为1到1024是保留端口号，你可以选择大于1024中的任何一个没有被占用的端口号。

**连接建立**  
　　 面向连接的客户程序使用Connect函数来配置socket并与远端服务器建立一个TCP连接，其函数原型为：  
　　 int connect(int sockfd, struct sockaddr \*serv\_addr,int addrlen);  
Sockfd 是socket函数返回的socket描述符；serv\_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针；addrlen是远端地质结构的长度。 Connect函数在出现错误时返回-1，并且设置errno为相应的错误码。进行客户端程序设计无须调用bind()，因为这种情况下只需知道目的机器 的IP地址，而客户通过哪个端口与服务器建立连接并不需要关心，socket执行体为你的程序自动选择一个未被占用的端口，并通知你的程序数据什么时候到 打断口。  
　　 Connect函数启动和远端主机的直接连接。只有面向连接的客户程序使用socket时才需要将此socket与远端主机相连。无连接协议从不建立直接连接。面向连接的服务器也从不启动一个连接，它只是被动的在协议端口监听客户的请求。  
　　 Listen函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们。  
　　 int listen(int sockfd， int backlog);  
Sockfd 是Socket系统调用返回的socket 描述符；backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待accept()它们（参考下文）。Backlog对队列中等待 服务的请求的数目进行了限制，大多数系统缺省值为20。如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该socket将拒绝连接请求，客户将收到一个出错信息。  
当出现错误时listen函数返回-1，并置相应的errno错误码。  
　　 accept()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用accept函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。  
　　 int accept(int sockfd, void \*addr, int \*addrlen);  
　 　 sockfd是被监听的socket描述符，addr通常是一个指向sockaddr\_in变量的指针，该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息（某 台主机从某个端口发出该请求）；addrten通常为一个指向值为sizeof(struct sockaddr\_in)的整型指针变量。出现错误时accept函数返回-1并置相应的errno值。  
　　首先，当accept函数监视的 socket收到连接请求时，socket执行体将建立一个新的socket，执行体将这个新socket和请求连接进程的地址联系起来，收到服务请求的 初始socket仍可以继续在以前的 socket上监听，同时可以在新的socket描述符上进行数据传输操作。

**数据传输**  
　　 Send()和recv()这两个函数用于面向连接的socket上进行数据传输。  
　　 Send()函数原型为：  
　　 int send(int sockfd, const void \*msg, int len, int flags);  
Sockfd是你想用来传输数据的socket描述符；msg是一个指向要发送数据的指针；Len是以字节为单位的数据的长度；flags一般情况下置为0（关于该参数的用法可参照man手册）。  
　　 Send()函数返回实际上发送出的字节数，可能会少于你希望发送的数据。在程序中应该将send()的返回值与欲发送的字节数进行比较。当send()返回值与len不匹配时，应该对这种情况进行处理。  
char \*msg = "Hello!";  
int len, bytes\_sent;  
……  
len = strlen(msg);  
bytes\_sent = send(sockfd, msg,len,0);  
……  
　　 recv()函数原型为：  
　　 int recv(int sockfd,void \*buf,int len,unsigned int flags);  
　　 Sockfd是接受数据的socket描述符；buf 是存放接收数据的缓冲区；len是缓冲的长度。Flags也被置为0。Recv()返回实际上接收的字节数，当出现错误时，返回-1并置相应的errno值。  
Sendto()和recvfrom()用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。由于本地socket并没有与远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。  
sendto()函数原型为：  
　　 int sendto(int sockfd, const void \*msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr \*to, int tolen);  
　　该函数比send()函数多了两个参数，to表示目地机的IP地址和端口号信息，而tolen常常被赋值为sizeof (struct sockaddr)。Sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。  
　　 Recvfrom()函数原型为：  
　　 int recvfrom(int sockfd,void \*buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr \*from,int \*fromlen);  
　 　 from是一个struct sockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。fromlen常置为sizeof (struct sockaddr)。当recvfrom()返回时，fromlen包含实际存入from中的数据字节数。Recvfrom()函数返回接收到的字节数或 当出现错误时返回-1，并置相应的errno。  
如果你对数据报socket调用了connect()函数时，你也可以利用send()和recv()进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并且利用传输层的UDP服务。但在发送或接收数据报时，内核会自动为之加上目地和源地址信息。

**结束传输**  
　　 当所有的数据操作结束以后，你可以调用close()函数来释放该socket，从而停止在该socket上的任何数据操作：  
close(sockfd);  
　　你也可以调用shutdown()函数来关闭该socket。该函数允许你只停止在某个方向上的数据传输，而一个方向上的数据传输继续进行。如你可以关闭某socket的写操作而允许继续在该socket上接受数据，直至读入所有数据。  
　　 int shutdown(int sockfd,int how);  
　　 Sockfd是需要关闭的socket的描述符。参数 how允许为shutdown操作选择以下几种方式：  
　　 ·0-------不允许继续接收数据  
　　 ·1-------不允许继续发送数据  
　　 ·2-------不允许继续发送和接收数据，  
　　 ·均为允许则调用close ()  
　　 shutdown在操作成功时返回0，在出现错误时返回-1并置相应errno。

**Socket编程实例**  
　　 代码实例中的服务器通过socket连接向客户端发送字符串"Hello, you are connected!"。只要在服务器上运行该服务器软件，在客户端运行客户软件，客户端就会收到该字符串。  
　　 该服务器软件代码如下：  
\#include <stdio.h>  
\#include <stdlib.h>  
\#include <errno.h>  
\#include <string.h>  
\#include <sys/types.h>  
\#include <netinet/in.h>  
\#include <sys/socket.h>  
\#include <sys/wait.h>  
\#define SERVPORT 3333 /\*服务器监听端口号 \*/  
\#define BACKLOG 10 /\* 最大同时连接请求数 \*/  
main()  
\{  
　 int sockfd,client\_fd; /\*sock\_fd：监听socket；client\_fd：数据传输socket \*/  
　 struct sockaddr\_in my\_addr; /\* 本机地址信息 \*/  
　 struct sockaddr\_in remote\_addr; /\* 客户端地址信息 \*/  
　 if ((sockfd = socket(AF\_INET, SOCK\_STREAM, 0)) == -1) \{  
　　 perror( "socket创建出错！"); exit(1);  
　 \}  
　 my\_addr.sin\_family=AF\_INET;  
　 my\_addr.sin\_port=htons(SERVPORT);  
　 my\_addr.sin\_addr.s\_addr = INADDR\_ANY;  
　 bzero( &(my\_addr.sin\_zero),8);  
　 if (bind(sockfd, (struct sockaddr \*) &my\_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) \{  
　 　 perror( "bind出错！");  
　 　 exit(1);  
　 \}  
　 if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) \{  
　 　 perror( "listen出错！");  
　 　 exit(1);  
　 \}  
　 while(1) \{  
　　 sin\_size = sizeof(struct sockaddr\_in);  
　　 if ((client\_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr \*) &remote\_addr, &sin\_size)) == -1) \{  
　 　 　 perror( "accept出错");  
　 　 　 continue;  
　 　 \}  
　　 printf( "received a connection from %s/n", inet\_ntoa(remote\_addr.sin\_addr));  
　 　 if (!fork()) \{ /\* 子进程代码段 \*/  
　　 　 if (send(client\_fd, "Hello, you are connected!/n", 26, 0) == -1)  
　　 　 perror( "send出错！");  
　 　 　 close(client\_fd);  
　 　 　 exit(0);  
　 　 \}  
　　 close(client\_fd);  
　　 \}  
　 \}  
\}  
　 　服务器的工作流程是这样的：首先调用socket函数创建一个Socket，然后调用bind函数将其与本机地址以及一个本地端口号绑定，然后调用 listen在相应的socket上监听，当accpet接收到一个连接服务请求时，将生成一个新的socket。服务器显示该客户机的IP地址，并通过 新的socket向客户端发送字符串 "Hello，you are connected!"。最后关闭该socket。  
　　代码实例中的fork()函数生成一个子进程来处理数据传输部分，fork()语句对于子进程返回的值为0。所以包含fork函数的if语句是子进程代码部分，它与if语句后面的父进程代码部分是并发执行的。

客户端程序代码如下：  
\#include<stdio.h>  
\#include <stdlib.h>  
\#include <errno.h>  
\#include <string.h>  
\#include <netdb.h>  
\#include <sys/types.h>  
\#include <netinet/in.h>  
\#include <sys/socket.h>  
\#define SERVPORT 3333  
\#define MAXDATASIZE 100 /\*每次最大数据传输量 \*/  
main(int argc, char \*argv\[\])\{  
　 int sockfd, recvbytes;  
　 char buf\[MAXDATASIZE\];  
　 struct hostent \*host;  
　 struct sockaddr\_in serv\_addr;  
　 if (argc < 2) \{  
fprintf(stderr,"Please enter the server's hostname!/n");  
exit(1);  
\}  
　 if((host=gethostbyname(argv\[1\]))==NULL) \{  
herror("gethostbyname出错！");  
exit(1);  
\}  
　 if ((sockfd = socket(AF\_INET, SOCK\_STREAM, 0)) == -1)\{  
perror("socket创建出错！");  
exit(1);  
\}  
　 serv\_addr.sin\_family=AF\_INET;  
　 serv\_addr.sin\_port=htons(SERVPORT);  
　 serv\_addr.sin\_addr = \*((struct in\_addr \*)host- >h\_addr);  
　 bzero( &(serv\_addr.sin\_zero),8);  
　 if (connect(sockfd, (struct sockaddr \*) &serv\_addr, /  
　　 sizeof(struct sockaddr)) == -1) \{  
perror("connect出错！");  
exit(1);  
\}  
　 if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1) \{  
perror("recv出错！");  
exit(1);  
\}  
　 buf\[recvbytes\] = '/0';  
　 printf( "Received: %s",buf);  
　 close(sockfd);  
\}  
　　客户端程序首先通过服务器域名获得服务器的IP地址，然后创建一个socket，调用connect函数与服务器建立连接，连接成功之后接收从服务器发送过来的数据，最后关闭socket。  
　　函数gethostbyname()是完成域名转换的。由于IP地址难以记忆和读写，所以为了方便，人们常常用域名来表示主机，这就需要进行域名和IP地址的转换。函数原型为：  
　　 struct hostent \*gethostbyname(const char \*name);  
　　 函数返回为hosten的结构类型，它的定义如下：  
　　 struct hostent \{  
　 char \*h\_name; /\* 主机的官方域名 \*/  
　　 char \*\*h\_aliases; /\* 一个以NULL结尾的主机别名数组 \*/  
　　 int h\_addrtype; /\* 返回的地址类型，在Internet环境下为AF-INET \*/  
　　 int h\_length; /\* 地址的字节长度 \*/  
　　 char \*\*h\_addr\_list; /\* 一个以0结尾的数组，包含该主机的所有地址\*/  
　　 \};  
　　 \#define h\_addr h\_addr\_list\[0\] /\*在h-addr-list中的第一个地址\*/  
　　 当 gethostname()调用成功时，返回指向struct hosten的指针，当调用失败时返回-1。当调用gethostbyname时，你不能使用perror()函数来输出错误信息，而应该使用herror()函数来输出。

无连接的客户/服务器程序的在原理上和连接的客户/服务器是一样的，两者的区别在于无连接的客户/服务器中的客户一般不需要建立连接，而且在发送接收数据时，需要指定远端机的地址。

阻塞和非阻塞  
　 　 阻塞函数在完成其指定的任务以前不允许程序调用另一个函数。例如，程序执行一个读数据的函数调用时，在此函数完成读操作以前将不会执行下一程序语句。当 服务器运行到accept语句时，而没有客户连接服务请求到来，服务器就会停止在accept语句上等待连接服务请求的到来。这种情况称为阻塞 （blocking）。而非阻塞操作则可以立即完成。比如，如果你希望服务器仅仅注意检查是否有客户在等待连接，有就接受连接，否则就继续做其他事情，则 可以通过将Socket设置为非阻塞方式来实现。非阻塞socket在没有客户在等待时就使accept调用立即返回。  
　　 \#include <unistd.h>  
　　 \#include <fcntl.h>  
　　 ……  
sockfd = socket(AF\_INET,SOCK\_STREAM,0);  
fcntl(sockfd,F\_SETFL,O\_NONBLOCK)；  
……  
　 　通过设置socket为非阻塞方式，可以实现 "轮询"若干Socket。当企图从一个没有数据等待处理的非阻塞Socket读入数据时，函数将立即返 回，返回值为-1，并置errno值为EWOULDBLOCK。但是这种"轮询"会使CPU处于忙等待方式，从而降低性能，浪费系统资源。而调用 select()会有效地解决这个问题，它允许你把进程本身挂起来，而同时使系统内核监听所要求的一组文件描述符的任何活动，只要确认在任何被监控的文件 描述符上出现活动，select()调用将返回指示该文件描述符已准备好的信息，从而实现了为进程选出随机的变化，而不必由进程本身对输入进行测试而浪费 CPU开销。Select函数原型为:  
int select(int numfds,fd\_set \*readfds,fd\_set \*writefds，  
fd\_set \*exceptfds,struct timeval \*timeout);  
　 　其中readfds、writefds、exceptfds分别是被select()监视的读、写和异常处理的文件描述符集合。如果你希望确定是否可以 从标准输入和某个socket描述符读取数据，你只需要将标准输入的文件描述符0和相应的sockdtfd加入到readfds集合中；numfds的值 是需要检查的号码最高的文件描述符加1，这个例子中numfds的值应为sockfd+1；当select返回时，readfds将被修改，指示某个文件 描述符已经准备被读取，你可以通过FD\_ISSSET()来测试。为了实现fd\_set中对应的文件描述符的设置、复位和测试，它提供了一组宏：  
　　 FD\_ZERO(fd\_set \*set)----清除一个文件描述符集；  
　　 FD\_SET(int fd,fd\_set \*set)----将一个文件描述符加入文件描述符集中；  
　　 FD\_CLR(int fd,fd\_set \*set)----将一个文件描述符从文件描述符集中清除；  
　　 FD\_ISSET(int fd,fd\_set \*set)----试判断是否文件描述符被置位。  
　　 Timeout参数是一个指向struct timeval类型的指针，它可以使select()在等待timeout长时间后没有文件描述符准备好即返回。struct timeval数据结构为：  
　　 struct timeval \{  
　　 int tv\_sec; /\* seconds \*/  
　　 int tv\_usec; /\* microseconds \*/  
\};

POP3客户端实例  
　　 下面的代码实例基于POP3的客户协议，与邮件服务器连接并取回指定用户帐号的邮件。与邮件服务器交互的命令存储在字符串数组POPMessage中，程序通过一个do-while循环依次发送这些命令。  
\#include<stdio.h>  
\#include <stdlib.h>  
\#include <errno.h>  
\#include <string.h>  
\#include <netdb.h>  
\#include <sys/types.h>  
\#include <netinet/in.h>  
\#include <sys/socket.h>  
\#define POP3SERVPORT 110  
\#define MAXDATASIZE 4096

main(int argc, char \*argv\[\])\{  
int sockfd;  
struct hostent \*host;  
struct sockaddr\_in serv\_addr;  
char \*POPMessage\[\]=\{  
"USER userid/r/n",  
"PASS password/r/n",  
"STAT/r/n",  
"LIST/r/n",  
"RETR 1/r/n",  
"DELE 1/r/n",  
"QUIT/r/n",  
NULL  
\};  
int iLength;  
int iMsg=0;  
int iEnd=0;  
char buf\[MAXDATASIZE\];

if((host=gethostbyname("your.server"))==NULL) \{  
perror("gethostbyname error");  
exit(1);  
\}  
if ((sockfd = socket(AF\_INET, SOCK\_STREAM, 0)) == -1)\{  
perror("socket error");  
exit(1);  
\}  
serv\_addr.sin\_family=AF\_INET;  
serv\_addr.sin\_port=htons(POP3SERVPORT);  
serv\_addr.sin\_addr = \*((struct in\_addr \*)host->h\_addr);  
bzero(&(serv\_addr.sin\_zero),8);  
if (connect(sockfd, (struct sockaddr \*)&serv\_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1)\{  
perror("connect error");  
exit(1);  
\}

do \{  
send(sockfd,POPMessage\[iMsg\],strlen(POPMessage\[iMsg\]),0);  
printf("have sent: %s",POPMessage\[iMsg\]);

iLength=recv(sockfd,buf+iEnd,sizeof(buf)-iEnd,0);  
iEnd+=iLength;  
buf\[iEnd\]='/0';  
printf("received: %s,%d/n",buf,iMsg);

iMsg++;  
\} while (POPMessage\[iMsg\]);

close(sockfd);  
\}