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Linux入门教程:在Linux下如何进行Socket通信

一 、socket介绍

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。

二、Socket创建

socket函数原型为:

include

include

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

功能:调用成功,返回socket文件描述符;失败,返回-1,并设置errno

参数说明:

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 提供有序、可靠、双向及基于连接的字节流

SOCK_DGRAM 支持数据报

SOCK_SEQPACKET 提供有序、可靠、双向及基于连接的数据报通信

SOCK_RAW 提供对原始网络协议的访问

SOCK_RDM 提供可靠的数据报层,但是不保证有序性

protocol通常赋值“0”。

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。

三、Socket邦定


Bind函数原型为:


include


include


int bind(int sock_fd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);


功能说明:将套接字和指定的端口相连。成功返回0,否则,返回-1,并置errno.


参数说明:sock_fd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。

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(大端和小端)。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。


四、连接


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:


include


include


int connect(int sock_fd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);


功能说明:客户端发送服务请求。成功返回0,否则返回-1,并置errno。


参数说明:sock_fd 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。


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端口。


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。


五、监听


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。


include


int listen(int sock_fd, int backlog);


功能说明:等待指定的端口的出现客户端连接。调用成功返回0,否则,返回-1,并置errno.


参数说明:sock_fd 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。

六、接受


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。


include


include


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


功能说明:用于接受客户端的服务请求,成功返回新的套接字描述符,失败返回-1,并置errno。


参数说明:sock_fd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。


七、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:


include


include


size_t send(int sock_fd, const void *msg, int len, int flags);


功能说明:发送数据。成功返回实际反送的数据的字节数。失败返回-1,并置errno.


参数说明: sock_fd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:


include


include


int recv(int sock_fd,void *buf,int len,unsigned int flags);


功能说明:接受数据,成功返回0,否则,返回-1,并设置errno。


参数说明:sock_fd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。


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。

 


八、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:


int close(sock_fd);


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 sock_fd,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


#include


#include


#include


#include


#include


#include


#include


#define SERVPORT 3333 /*服务器监听端口号 */


#define BACKLOG 10 /* 最大同时连接请求数 */


int main()


{


int sock_fd,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 ((sock_fd = 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(sock_fd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {


perror(“bind出错!”);


exit(1);


}


if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {


perror(“listen出错!”);


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);


}


}


return 0;


}

服务器的工作流程是这样的:


1.调用socket函数创建一个socket;


2.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;


3.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。


客户端程序代码如下:


#include


#include


#include


#include


#include


#include


#include


#include


#define SERVPORT 3333


#define MAXDATASIZE 100 /*每次最大数据传输量 */


int main(int argc, char *argv[])


{


int sock_fd, recvbytes;


char buf[MAXDATASIZE];


struct hostent *host;


struct sockaddr_in serv_addr;


if (argc


if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) {


herror(“gethostbyname出错!”);


exit(1);


}


if ((sock_fd = 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(sock_fd, (struct sockaddr *)&serv_addr, \


sizeof(struct sockaddr)) == -1) {


perror(“connect出错!”);


exit(1);


}


if ((recvbytes=recv(sock_fd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1) {


perror(“recv出错!”);


exit(1);


}


buf[recvbytes] = ‘\0’;


printf(“Received: %s”,buf);


close(sock_fd);


}


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。


struct hostent *gethostbyname(const char *name);


功能:完成域名转换,将域名转化为IP地址;


参数说明:name为需要转换的域名


返回值:调用成功时,hosten结构类型指针;失败时,返回-1,可用herror()函数输出错误原因。

hosten结构为:


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*/


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


#include


……


sock_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);


fcntl(sock_fd,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-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socket_fd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 */


};

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