Linux下Socket編程一 socket 基礎

 

一 、socket介紹


　　 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。要學Internet上的TCP/IP網路編程，必須理解socket介面。
　
　 socket介面設計者最先是將介面放在Unix作業系統裡面的。如果瞭解Unix系統的輸入和輸出的話，就很容易瞭解socket了。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也具有一個類似於開啟檔案的函數調用socket()，該函數返
回一個整型的socket描述符，隨後的串連建立、資料轉送等操作都是通過該socket實現的。常用的socket類型有兩種：流式socket
（SOCK_STREAM）和資料報式socket（SOCK_DGRAM）。流式是一種連線導向的socket，針對於連線導向的TCP服務應用；資料
報式socket是一種不需連線的socket，對應於不需連線的UDP服務應用。

二、Socket建立


　　 socket函數原型為：

        include <sys/types.h>

        include <sys/socket.h>
　　 int socket(int domain, int type, int protocol);

        功能：調用成功，返回socket檔案描述符；失敗，返回－1，並設定errno

       參數說明：
　
　 domain指明所使用的協議族，通常為PF_INET，表示互連網協議族（TCP/IP協議
族；

        type參數指定socket的類型：

       SOCK_STREAM  提供有序、可靠、雙向及基於串連的位元組流

       SOCK_DGRAM    支援資料報

       SOCK_SEQPACKET  
提供有序、可靠、雙向及基於串連的資料報通訊

       SOCK_RAW   提供對原始網路通訊協定的訪問

       SOCK_RDM   提供可靠的資料報層，但是不保證有序性

      protocol通常賦值"0".

　　 socket描述符是一個指向內部資料結構的指標，它指向描述符表入口。調用socket函數時，socket執行體將建立一個socket，實際上"建立一個socket"意味著為一個socket資料結構分配儲存空間。socket執行體為你管理描述符表。
　　兩個網路程式之間的一個網路連接包括五種資訊：通訊協定、本地協議地址、本地主機連接埠、遠端主機地址和遠端協議連接埠。socket資料結構中包含這五種資訊。

三、Socket邦定


　
　Bind函數原型為：

        include <sys/types.h>

        include <sys/socket.h>
　　 int bind(int sock_fd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

　　 功能說明：將通訊端和指定的連接埠相連。成功返回0，否則，返回－1，共置errno.

        參數說明：sock_fd是調用socket函數返回的socket描述符,

                         my_addr是一個指向包含有本機IP地址及連接埠號碼等資訊的sockaddr類 型的指標；

                         addrlen常被設定為sizeof(struct sockaddr)。

　　 struct sockaddr結構類型是用來儲存socket資訊的：
　　 struct sockaddr {
　　 unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */
       
char sa_data[14]; /* 14 位元組的協議地址 */
       
};
　　 sa_family一般為AF_INET，代表Internet（TCP/IP）地址族；

        sa_data則包含該socket的IP地址和連接埠號碼。

　　 另外還有一種結構類型：
　　 struct sockaddr_in {
　　 short int sin_family; /* 地址族 */
　　 unsigned short int sin_port; /* 連接埠號碼 */
　　 struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */
　　 unsigned char sin_zero[8]; /* 填充0 以保持與struct sockaddr同樣大小 */
　　 };
　
　這個結構更方便使用。sin_zero用來將sockaddr_in結構填充到與struct
sockaddr同樣的長度，可以用bzero()或memset()函數將其置為零。指向sockaddr_in
的指標和指向sockaddr的指標可以相互轉換，這意味著如果一個函數所需參數類型是sockaddr時，你可以在函數調用的時候將一個指向
sockaddr_in的指標轉換為指向sockaddr的指標；或者相反。
　　使用bind函數時，可以用下面的賦值實現自動獲得本機IP地址和隨機擷取一個沒有被佔用的連接埠號碼：
　　 my_addr.sin_port = 0; /* 系統隨機播放一個未被使用的連接埠號碼 */
　　 my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 填入本機IP地址 */
通過將my_addr.sin_port置為0，函數會自動為你選擇一個未佔用的連接埠來使用。同樣，通過將my_addr.sin_addr.s_addr置為INADDR_ANY，系統會自動填入本機IP地址。
注意在使用bind函數是需要將sin_port和sin_addr轉換成為網路位元組優先順序；而sin_addr則不需要轉換。

　　電腦資料存放區有兩種位元組優先順序：高位位元組優先和低位位元組優先(大端和小端)。Internet上資料以高位位元組優先順序在網路上傳輸，所以對於在內部是以低位位元組優先方式儲存資料的機器，在Internet上傳輸資料時就需要進行轉換，否則就會出現資料不一致。
　　 下面是幾個位元組順序轉換函式：
·htonl()：把32位值從主機位元組序轉換成網路位元組序
·htons()：把16位值從主機位元組序轉換成網路位元組序
·ntohl()：把32位值從網路位元組序轉換成主機位元組序
·ntohs()：把16位值從網路位元組序轉換成主機位元組序
　　 Bind()函數在成功被調用時返回0；出現錯誤時返回"-1"並將errno置為相應的錯誤號碼。

      需要注意的是，在調用bind函數時一般不要將連接埠號碼置為小於1024的值，因為1到1024是保留連接埠號碼，你可以選擇大於1024中的任何一個沒有被佔用的連接埠號碼。

四、串連


　　連線導向的客戶程式使用connect函數來配置socket並與遠端伺服器建立一個TCP串連，其函數原型為：

        include <sys/types.h>

        include <sys/socket.h>
　　 int connect(int sock_fd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);

        功能說明：用戶端發送服務要求。成功返回0，否則返回－1，共置errno。
       參數說明：sock_fd
是socket函數返回的socket描述符；serv_addr是包含遠端主機IP地址和連接埠號碼的指標；addrlen是遠端地質結構的長度。

     進行用戶端程式設計無須調用bind()，因為這種情況下只需知道目的機器
的IP地址，而客戶通過哪個連接埠與伺服器建立串連並不需要關心，
socket執行體為你的程式
自動選擇一個未被佔用的連接埠，並
通知你的程式資料什麼時候到連接埠。
　　 connect函數啟動和遠端主機的直接連接。只有連線導向的客戶程式使用socket時才需要將此socket與遠端主機相連。無連線協定從不建立直接連接。連線導向的伺服器也從不啟動一個串連，它只是被動的在協議連接埠監聽客戶的請求。

五、監聽

　　 Listen函數使socket處於被動的監聽模式，並為該socket建立一個輸入資料隊列，將到達的服務要求儲存在此隊列中，直到程式處理它們。

        include <sys/socket.h>
　　 int listen(int sock_fd， int backlog);

        功能說明：等待指定的連接埠的出現用戶端串連。調用成功返回0，否則，返回－1，共置errno.
        參數說明：sock_fd
是socket系統調用返回的socket
描述符；

                          backlog指定在請求隊列中允許的最大請求數，進入的串連請求將在隊列中等待accept()它們（參考下文）。

      Backlog對隊列中等待服務的請求的數目進行了限制，大多數系統預設值為20。如果一個服務要求到來時，輸入隊列已滿，該socket將拒絕串連請求，客戶將收到一個出錯資訊。
     

六、接受

　　 accept()函數讓伺服器接收客戶的串連請求。在建立好輸入隊列後，伺服器就調用accept函數，然後睡眠並等待客戶的串連請求。

        include <sys/types.h>

        include <sys/socket.h>

　　 int accept(int sock_fd, void *addr, int *addrlen);

        功能說明：用於接受用戶端的服務要求，成功返回新的通訊端描述符，失敗返回－1，共置errno。
　
　參數說明：sock_fd是被監聽的socket描述符，addr通常是一個指向sockaddr_in變數的指標，該變數用來存放提出串連請求服務的主機的資訊（某台主機從某個連接埠發出該請求）；addrten通常為一個指向值為sizeof(struct
sockaddr_in)的整型指標變數。出現錯誤時accept函數返回-1共置相應的errno值。
　　首先，當accept函數監視的
socket收到串連請求時，socket執行體將建立一個新的socket，執行體將這個新socket和請求串連進程的地址聯絡起來，收到服務要求的
初始socket仍可以繼續在以前的 socket上監聽，同時可以在新的socket描述符上進行資料轉送操作。

七、資料轉送


　　 send()和recv()這兩個函數用於連線導向的socket上進行資料轉送。
　　 send()函數原型為：

        include <sys/types.h>

        include <sys/socket.h>
　　 size_t send(int sock_fd, const void *msg, int len, int flags);

        功能說明：發送資料。成功返回實際反送的資料的位元組數。失敗返回－1，共置errno.
        參數說明： sock_fd是你想用來傳輸資料的socket描述符；msg是一個指向要發送資料的指標；len是以位元組為單位的資料的長度；flags一般情況下置為0（關於該參數的用法可參照man手冊）。
　　 send()函數返回實際上發送出的位元組數，可能會少於你希望發送的資料。在程式中應該將send()的傳回值與欲發送的位元組數進行比較。當send()傳回值與len不匹配時，應該對這種情況進行處理。
char *msg = "Hello!";
int len, bytes_sent;
……
len = strlen(msg);
bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);
……
　　 recv()函數原型為：

        include <sys/types.h>

        include <sys/socket.h>
　　 int recv(int sock_fd,void *buf,int len,unsigned int flags);

        功能說明：接受資料，成功返回0，否則，返回－1，並設定errno。
　　參數說明：sock_fd是接受資料的socket描述符；buf 是存放接收資料的緩衝區；len是緩衝的長度。flags也被置為0。recv()返回實際上接收的位元組數.

    
sendto()和recvfrom()用於在不需連線的資料報socket方式下進行資料轉送。由於本地socket並沒有與遠端機器建立串連，所以在發送資料時應指明目的地址。
     sendto()函數原型為：
　　 int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen);

　　該函數比send()函數多了兩個參數，to表示目地機的IP地址和連接埠號碼資訊，而tolen常常被賦值為sizeof (struct sockaddr)。sendto 函數也返回實際發送的資料位元組長度或在出現發送錯誤時返回-1。
　　 recvfrom()函數原型為：
　　 int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);

　
　 from是一個struct sockaddr類型的變數，該變數儲存源機的IP地址及連接埠號碼。fromlen常置為sizeof (struct
sockaddr)。當recvfrom()返回時，fromlen包含實際存入from中的資料位元組數。Recvfrom()函數返回接收到的位元組數或
當出現錯誤時返回-1，共置相應的errno。
如果你對資料報socket調用了connect()函數時，你也可以利用send()和recv()進行資料轉送，但該socket仍然是資料報socket，並且利用傳輸層的UDP服務。但在發送或接收資料報時，核心會自動為之加上目地和源地址資訊。

八、結束傳輸


　　當所有的資料操作結束以後，你可以調用close()函數來釋放該socket，從而停止在該socket上的任何資料操作：
       
int close(sock_fd);

　　你也可以調用shutdown()函數來關閉該socket。該函數允許你只停止在某個方向上的資料轉送，而一個方向上的資料轉送繼續進行。如你可以關閉某socket的寫操作而允許繼續在該socket上接受資料，直至讀入所有資料。
　　 int shutdown(int sock_fd,int how);

　　 sockfd是需要關閉的socket的描述符。參數 how允許為shutdown操作選擇以下幾種方式：
　　 ·0-------不允許繼續接收資料
　　 ·1-------不允許繼續發送資料
　　 ·2-------不允許繼續發送和接收資料，
　　 ·均為允許則調用close ()
　　 shutdown在操作成功時返回0，在出現錯誤時返回-1共置相應errno。

socket編程執行個體


　　 代碼執行個體中的伺服器通過socket串連向用戶端發送字串"Hello, you are connected!"。只要在伺服器上運行該伺服器軟體，在用戶端運行客戶軟體，用戶端就會收到該字串。
　　 該伺服器軟體代碼如下：
#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 /*伺服器監聽連接埠號碼 */
#define BACKLOG 10 /* 最大同時串連請求數 */
int main()
{
　 int sock_fd,client_fd;    /*sock_fd：監聽socket；client_fd：資料轉送socket */
　 struct sockaddr_in my_addr; /* 本機地址資訊 */
　 struct sockaddr_in remote_addr; /* 用戶端地址資訊 */
　 if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
　　 perror("socket建立出錯！");

        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(sock_fd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
　 　 perror("bind出錯！");
　 　 exit(1);
　 }
　 if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {
　 　 perror("listen出錯！");
　 　 exit(1);
　 }
　 while(1) {
　　 sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
　　 if ((client_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&remote_addr, &sin_size)) == -1) {
　 　 　 perror("accept出錯");
　 　 　 continue;
　 　}
　　 printf("received a connection from %s/n", inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));
　 　if (!fork()) {       /* 子進程程式碼片段 */
　　 　 if (send(client_fd, "Hello, you are connected!/n", 26, 0) == -1)
　　 　 perror("send出錯！");
　 　 　close(client_fd);
　 　 　exit(0);
　 　}
　　 close(client_fd);
　　 }
　 }

    return 0;
}
　
　伺服器的工作流程是這樣的：

        1.調用socket函數建立一個socket;

        2.然後調用bind函數將其與本機地址以及一個本地連接埠號碼綁定;

        3.然後調用
listen在相應的socket上監聽，當accpet接收到一個串連服務請時，將產生一個新的socket。伺服器顯示該客戶機的IP地址，並通過
新的socket向用戶端發送字串"Hello，you are connected!"。最後關閉該socket。
　

用戶端程式代碼如下：
#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 /*每次最大資料轉送量 */
int main(int argc, char *argv[])

{
　 int sock_fd, 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出錯！");
   
exit(1);
   
}
　 if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
       
perror("socket建立出錯！");
        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(sock_fd, (struct sockaddr *)&serv_addr, /
　　 sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
        
perror("connect出錯！");
        
exit(1);
     
}
　 if ((recvbytes=recv(sock_fd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1) {
    
perror("recv出錯！");
     
exit(1);
    
}
　 buf[recvbytes] = '/0';
　 printf("Received: %s",buf);
　 close(sock_fd);
}
　　用戶端程式首先通過伺服器網域名稱獲得伺服器的IP地址，然後建立一個socket，調用connect函數與伺服器建立串連，串連成功之後接收從伺服器發送過來的資料，最後關閉socket。

　　 struct hostent *gethostbyname(const char *name);

        功能：完成網域名稱轉換，將網域名稱轉化為IP地址；

        參數說明：name為需要轉換的網域名稱

        傳回值：調用成功時，hosten結構類型指標；失敗時，返回－1，可用herror()函數輸出錯誤原因.

 　　hosten結構為：
　　 struct hostent {
　     char *h_name;     /* 主機的官方網域名稱 */
　　 char **h_aliases; /* 一個以NULL結尾的主機別名數組 */
　　 int h_addrtype; /* 返回的地址類型，在Internet環境下為AF-INET */
　　 int h_length; /* 地址的位元組長度 */
　　 char **h_addr_list; /* 一個以0結尾的數組，包含該主機的所有地址*/
　　 };
　　 #define h_addr h_addr_list[0]   /*在h-addr-list中的第一個地址*/
　　

　　不需連線的客戶/伺服器程式的在原理上和串連的客戶/伺服器是一樣的，兩者的區別在於不需連線的客戶/伺服器中的客戶一般不需要建立串連，而且在發送接收資料時，需要指定遠端機的地址。

阻塞和非阻塞

　
　阻塞函數在完成其指定的任務以前不允許程式調用另一個函數。例如，程式執行一個讀資料的函數調用時，在此函數完成讀操作以前將不會執行下一程式語句。當伺服器運行到accept語句時，而沒有客戶串連服務要求到來，伺服器就會停止在accept語句上等待串連服務要求的到來。這種情況稱為阻塞
（blocking）。而非阻塞操作則可以立即完成。比如，如果你希望伺服器僅僅注意檢查是否有客戶在等待串連，有就接受串連，否則就繼續做其他事情，則
可以通過將socket設定為非阻塞方式來實現。非阻塞socket在沒有客戶在等待時就使accept調用立即返回。
　　 #include <unistd.h>
　　 #include <fcntl.h>
　　 ……
      
sock_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
      
fcntl(sock_fd,F_SETFL,O_NONBLOCK)；
      
……
　
　通過設定socket為非阻塞方式，可以實現"輪詢"若干socket。當企圖從一個沒有資料等待處理的非阻塞socket讀入資料時，函數將立即返回-1，共置errno值為EWOULDBLOCK.但是這種"輪詢"會使CPU處於忙等待方式，從而降低效能，浪費系統資源。而調用
select()會有效地解決這個問題，它允許你把進程本身掛起來，而同時使系統核心監聽所要求的一組檔案描述符的任何活動，只要確認在任何被監控的檔案
描述符上出現活動，select()調用將返回指示該檔案描述符已準備好的資訊，從而實現了為進程選出隨機的變化，而不必由進程本身對輸入進行測試而浪費
CPU開銷。Select函數原型為:
       
int select(int numfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds，

                       
fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);

　
　其中readfds、writefds、exceptfds分別是被select()監視的讀、寫和異常處理的檔案描述符集合。如果你希望確定是否可以從標準輸入和某個socket描述符讀取資料，你只需要將標準輸入的檔案描述符0和相應的socket_fd加入到readfds集合中；numfds的值是需要檢查的號碼最高的檔案描述符加1，這個例子中numfds的值應為sockfd+1；當select返回時，readfds將被修改，指示某個檔案
描述符已經準備被讀取，你可以通過FD_ISSSET()來測試。為了實現fd_set中對應的檔案描述符的設定、複位和測試，它提供了一組宏：
　　 FD_ZERO(fd_set *set)----清除一個檔案描述符集；
　　 FD_SET(int fd,fd_set *set)----將一個檔案描述符加入檔案描述符集中；
　　 FD_CLR(int fd,fd_set *set)----將一個檔案描述符從檔案描述符集中清除；
　　 FD_ISSET(int fd,fd_set *set)----試判斷是否檔案描述符被置位。
　　 timeout參數是一個指向struct timeval類型的指標，它可以使select()在等待timeout長時間後沒有檔案描述符準備好即返回。struct timeval資料結構為：
　　 struct timeval {
　　 int tv_sec;         /* seconds */
　　 int tv_usec;       /* microseconds */
       
};