Linux Socket基礎介紹

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Linux Socket函數庫是從Berkeley大學開發的BSD UNIX系統中移植過來的。BSD Socket介面是眾多Unix系統中被廣泛支援的TCP/IP通訊介面，Linux下的Socket程式設計，除了微小的差別之外，也適用於大多數其它Unix系統。

Socket介面是TCP/IP網路的API，Socket介面定義了許多函數或常式，程式員可以用它們來開發TCP/IP網路上的應用程式。網路的Socket資料轉送是一種特殊的I/O，Socket也是一種檔案描述符。

Socket的使用和檔案操作比較類似。如同檔案的讀、寫、開啟、關閉等操作一樣，TCP/IP網路通訊同樣也有這些操作，不過它使用的介面不是檔案描述符或者FILE*，而是一個稱做Socket的描述符。類似於檔案操作，對於Socket，也通過讀、寫、開啟、關閉操作來進行網路資料傳送。同時，還有一些輔助的函數，如網域名稱/IP地址查詢、Socket功能設定等。

通訊端有三種類型：流式通訊端、資料通訊端及原始通訊端。

流式通訊端定義了一種可靠的連線導向的服務，實現了無差錯無重複的順序資料轉送。資料通訊端定義了一種不需連線的服務，資料通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的，並且不保證可靠、無差錯。原始通訊端允許對底層協議如IP或ICMP直接存取，主要用於新的網路通訊協定實現的測試等。

通訊端工作過程如下：伺服器首先啟動，通過調用socket()建立一個通訊端，然後調用bind()將該通訊端和本網地址聯絡在一起，再調用listen()使通訊端做好偵聽的準備，並規定它的請求隊列的長度，之後就調用accept()來接收串連。客戶在建立通訊端後就可以調用connect()和伺服器建立串連。串連一旦建立，客戶機和伺服器之間就可以通過調用read()和write()來發送和接收資料。最後，待資料傳送結束後，雙方調用close()關閉通訊端。

Socket函數庫：

1.        socket(int domain, int type,int protocol):此函數分配一個Socket控制代碼，用於指定特定網路下，使用特定的協議和資料傳送方式進行通訊。Socket控制代碼分配以後，如果要開始TCP通訊，還需要建立串連。根據需要，可以主動地建立串連(通過connect())和被動地等待對方建立串連(通過listen())，在串連建立後才能使用讀寫操作通過網路連接進行資料交換。

domain參數選擇通訊中使用的協議族，也就是網路的類型，可以是以下之一：(1)、AF_UNIX：UNIX內部協議；(2)、AF_INET：ARPA Internet協議，也就是TCP/IP協議族；(3)、AF_ISO：ISO協議；(4)、AF_NS：Xerox Network Systems協議；(5)、AF_IMPLINK：IMP “host at IMP” link layer。

type參數為資料傳送的方式，可以是以下之一：(1)、SOCK_STREAM：保證順序的、可靠傳送的雙向位元組資料流，最為常用，也是TCP串連所使用的方式；(2)、SOCK_DGRAM：不需連線的、不保證可靠的、固定長度(通常很小)的訊息傳送；(3)、SOCK_SEQPACKET：順序的、可靠的雙向固定長度的資料報傳送，只用於AF_NS類型的網路中；(4)、SOCK_RAW：原始的資料傳送，適用於系統內部專用的網路通訊協定和介面，和SOCK_RDM一樣，只能由超級使用者使用；(5)、SOCK_RDM：可靠的資料報傳送，未實現。

protocol參數指定通訊中使用的協議。在給定Socket的協議族和傳送類型之後，一般情況下所使用的協議也就固定下來，此時protocol參數可使用預設值”0”。但如果還有多個協議供選擇，則必須使用protocol參數來標識。

         socket()函數，正常執行時，返回Socket描述符；否則，返回-1，錯誤狀態在全域變數errno中。

2.        close(int fd)：Socket和檔案描述符的關閉操作都是使用這個函數。fd參數為Socket描述符。傳回值，正常是返回0，-1表示出錯。

3.        bind(int sockfd, structsockaddr *my_addr, int addrlen)：此函數給已經開啟的Socket指定本地地址。這個函數的使用有以下兩種情況：(1)、如果此Socket是連線導向的，而且此Socket在串連建立過程中處於被動的地位，即，乙方程式使用listen函數等待對方建立串連，對方用connect函數來向此Socket建立串連，這種情況下，必須用bind給此Socket設定本地地址。在乙方使用listen函數時，除指定Socket描述符之外，該Socket必須已經用bind函數設定好了本地地址(包括IP地址和連接埠號碼)，這樣，系統在收到建立串連的網路請求時，才能根據請求的目的地址，識別是通向哪個Socket的串連，從而乙方才能用此Socket接收到發給此Socket地址的資料包。不指定Socket的本地地址，就無法將此Socket用於串連建立和資料接收。(2)、如果此Socket用於不需連線的情形，同樣也要求給該Socket設定本地地址，這樣，以後系統從網路中接收到資料後，才知道該送給哪個Socket及其相對應的進程。

sockfd參數：用於指定Socket描述符。

addrlen參數：my_addr結構的長度。

my_addr參數：用於偵聽串連請求的本地地址。struct sockaddr是一個通用性的結構，不僅包含TCP/IP協議的情況，同時也是為了適合於其它網路，如AF_NS。由於它的這種通用性，它只是定義了一個一般意義上的儲存空間。

bind函數傳回值：正常時返回0，否則返回-1，同時errno是系統錯誤碼。

4.        listen(int s, int backlog)：準備接收串連請求。在用bind()給一個Socket設定本地地址後，就可以將這個Socket用於接收串連請求，即listen()。調用listen()之後，系統將給此Socket配備一個串連請求的隊列，暫存系統接收到的、申請向此Socket建立串連的請求，等待使用者程式用accept()正式接收該請求。隊列長度，就由backlog參數指定。如果短時間內向乙方建立串連的請求過多，乙方來不及處理，那麼排在backlog之後的請求將被系統拒絕。因此，backlog參數實際上規定了乙方程式能夠容許的串連建立處理速度。至於乙方程式使用此Socket(及其指定的本地地址)實際建立串連的個數，由乙方程式調用accept()的次數來決定。

listen函數傳回值：正常時返回0，否則返回-1.

5.        accept(int s, struct sockaddr*addr, int *addrlen)：接受指定Socket上的串連請求。在調用listen()之後，系統就在Socket的串連請求暫存隊列裡存放每一個向該Socket(及其本地地址)建立的串連請求。accept()函數的作用就是，從該暫存隊列中取出一個串連請求，用該Socket的資料，建立一個新的Socket:Socket_New，並為它分配一個檔案描述符。Socket_New即標識了此次建立的串連，可被乙方用來向串連的另一方發生和接收資料(write/read, send/recv)。同時，原Socket仍然保持開啟狀態不變，繼續用於等待網路連接請求。

如果該Socket的暫存隊列中沒有待處理的串連請求，根據Socket的特徵選項(是否non_blocking)，blocking即阻塞，accept()函數將選擇兩種方式：如果該Socket不是non_blocking型的，accept()將一直等待，直到收到一個串連請求後才返回；如果該Socket是non_blocking型的，那麼accept()將立即返回，但如果沒有串連請求，只返回錯誤資訊，不建立新的Socket_New。accept()返回後，如果建立了新的Socket_New來標識建立立的串連，那麼參數addr指定的結構裡面將會有對方的地址資訊，addrlen是地址資訊的長度。

s參數：Socket描述符。

addr參數：accept()接受串連後，在addr指向的結構中存放對方的地址資訊。如果是AF_INET Socket，該地址資訊就是地方的IP地址和連接埠號碼。

addrlen參數：在調用accept()之前，*addrlen必須被設定為addr資料結構的合法長度。在accept()返回之後，*addrlen中是對方地址資訊的長度。

accept函數傳回值：如果正常建立了一個新的串連，那麼返回非負的整數，即新串連的Socket描述符(注意，用於等待串連請求的原Socket保持開啟狀態不變，可用於接收新的串連請求)，否則，返回-1.

bind、listen、connect等函數，都是用於被動地等待對方建立串連時需要使用的，而connect函數，則是主動地向對方建立串連時使用的。connect()使用一個事先開啟的Socket，和目的方(即通訊對方，或稱伺服器一方)地址資訊，向對方發出串連建立請求。

6.        connect(int sockfd, structsockaddr *serv_addr, int addrlen)：用戶端發送服務要求。

sockfd參數：socket函數返回的socket描述符。

serv_addr：儲存遠端電腦的IP地址和連接埠資訊的結構。

addrlen：是結構體sockaddr_in的長度。

傳回值：成功返回0，否則返回-1.

7.        send(int s, const void *msg,int len, unsigned int flags)/sendto(int s, const void *msg, int len, unsignedint flags, const struct sockaddr *to, int tolen)，recv(int s, void*buf, int len, unsigned iint flags)/recvfrom(int s, void *buf, int len,unsigned int flags, struct sockaddr *from, int *fromlen)：用Socket發送和接收資料。在串連建立完成後，通訊雙方就可以使用以上這些函數來進行資料的發送和接收操作。其中，send和recv用於串連建立以後的發送和接收。sendto和recvfrom用於非串連的協議。對於非non_blocking型的Socket，send將等待資料發送完後才返回；對於non_blocking型的Socket，send將立即返回，使用者程式需要用select()函數決定網路發送是否結束。類似地，對於非non_blocking型的Socket，若系統沒有收到任何資料，recv將等待接收資料到達後才返回；對於non_blocking型的Socket，recv將立即返回，並返回錯誤資訊或接收到的資料位元組數。sendto和recvfrom因為是非串連型的發送和接收，必須在參數中給出目的地址或者存放源地址的空間。

s參數：Socket描述符。

msg,buf參數：存放接收或者發送資料的儲存空間。

len參數：接收或者發送資料的位元組數。

to,from參數：sendto和recvfrom所使用的，目的方地址和存放源地址的空間。

tolen,fromlen參數：目的地址和源地址空間大小。

flag參數：通常設為0.

傳回值：send/sendto返回實際發送的資料位元組數，或者-1，表示出錯。recv/recvfrom返回實際接收到的資料位元組數，或者-1，表示出錯。

8.        read(int fd, void *buf, size_tcount)/write(int fd, const void *buf, size_t count)：用系統檔案操作進行Socket通訊。在串連建立完成後，對於串連建立過程中被動的一方，在accept()正常返回後，它返回一個新的Socket，並且為該Socket分配了一個檔案描述符；對於串連請求發起方，connect()正常返回後，相應的Socket中也包含有已指派的檔案描述符。因此，可以使用標準的Unix檔案讀寫函數read()/write()來進行Socket通訊。要注意的是，由於網路資料和磁碟檔案不一樣，不是已經準備好的，因此，每次讀寫操作不一定能傳送完指定長度的資料，需要由程式反覆進行剩餘部分的傳送。另外，檔案描述符是較底層的檔案操作函數，不同於C語言中常用的FILE*。FILE*是使用fread/fwrite函數來進行讀寫操作的。

fd參數：檔案或者Socket描述符。

buf參數：資料緩衝區。

count參數：資料位元組數。

函數傳回值：正常時，返回所讀寫的位元組數(注意，可能小於count參數指定的數目)；否則，返回-1.

9.        getsockopt(int s, int level,int optname, void *optval, int *optlen)/setsockopt(int s, int level, intoptname, const void *optval, int optlen)：擷取、設定Socket特徵選項。

常用的幾個轉換函式：(1)、inet_addr：將IP地址從點數格式轉換成無符號長整型，它返回的地址是網路位元組格式；(2)、inet_ntoa：將一個in_addr結構體輸出成點數格式；(3)、htonl：將32位的主機位元組順序轉化為32位的網路位元組順序；(4)、htons：將16位的主機位元組順序轉化為16位的網路位元組順序；(5)、ntohs：將一個無符號短整形數從網路位元組順序轉化為主機位元組順序；(6)、ntohl：將一個無符號長整形數從網路主機順序轉化為主機位元組順序。

以下是測試案例：

1. client.cpp：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <netinet/in.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <iostream>#define PORT 7000int main(){struct sockaddr_in server;int s, ns;int pktlen, buflen;char buf1[256], buf2[256];s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(PORT);server.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);if (connect(s, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) < 0) {perror("connect()");return -1;}for (;;) {printf("Enter a line: ");std::cin>>buf1;buflen = strlen(buf1);if (buflen == 1)break;send(s, buf1, buflen+1, 0);recv(s, buf2, sizeof(buf2), 0);printf("Received line: %s\n", buf2);}close(s);return 0;}

2. server.cpp:

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <netinet/in.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <ctype.h>#define PORT 7000int main(){struct sockaddr_in client, server;int s, ns, pktlen;char buf[256];s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset((char*)&server, sizeof(server), 0);server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(PORT);server.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);bind(s, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));listen(s, 1);socklen_t namelen = sizeof(client);ns = accept(s, (struct sockaddr*)&client, &namelen);for (;;) {pktlen = recv(ns, buf, sizeof(buf), 0);if (pktlen == 0)break;printf("Received line:%s\n", buf);for (int i = 0; i < strlen(buf); i++)buf[i] = toupper(buf[i]);send(ns, buf, pktlen, 0);}close(ns);close(s);return 0;}

執行說明：(1)、開啟終端，分別執行：$ g++ -o server server.cpp  , $ g++ -o client client.cpp ; (2)、開啟終端，先執行伺服器端程式：$ ./server ；再開啟另一終端，執行用戶端程式：$ ./client  ；(3)、程式功能：伺服器端接收從用戶端來的資料，並將其接收的資料小寫字母改為大寫再發送給用戶端，在用戶端顯示接收後的結果資料。當輸入一個字元長度時退出。

以上部分內容整理自網路。

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