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Linux系統環境下的Socket編程詳細解析

什么是Socket

　　Socket接口是TCP/IP網絡的API，Socket接口定義了許多函數或例程，程序員可以用它們來開發TCP/IP網絡上的應用程序。要學Internet上的TCP/IP網絡編程，必須理解Socket接口。

　　Socket接口設計者最先是將接口放在Unix操作系統里面的。如果了解Unix系統的輸入和輸出的話，就很容易了解Socket了。網絡的Socket數據傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種文件描述符。Socket也具有一個類似于打開文件的函數調用Socket()，該函數返回一個整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數據傳輸等操作都是通過該Socket實現的。常用的Socket類型有兩種：流式Socket（SOCK_STREAM）和數據報式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一種面向連接的Socket，針對于面向連接的TCP服務應用；數據報式Socket是一種無連接的Socket，對應于無連接的UDP服務應用。

　　Socket建立

　　為了建立Socket，程序可以調用Socket函數，該函數返回一個類似于文件描述符的句柄。socket函數原型為：

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

　　domain指明所使用的協議族，通常為PF_INET，表示互聯網協議族（TCP/IP協議族）；type參數指定socket的類型：SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM，Socket接口還定義了原始Socket（SOCK_RAW），允許程序使用低層協議；protocol通常賦值"0"。Socket()調用返回一個整型socket描述符，你可以在后面的調用使用它。

　　Socket描述符是一個指向內部數據結構的指針，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數據結構分配存儲空間。Socket執行體為你管理描述符表。

　　兩個網絡程序之間的一個網絡連接包括五種信息：通信協議、本地協議地址、本地主機端口、遠端主機地址和遠端協議端口。Socket數據結構中包含這五種信息。

　　Socket配置

　　通過socket調用返回一個socket描述符后，在使用socket進行網絡傳輸以前，必須配置該socket。面向連接的socket客戶端通過調用Connect函數在socket數據結構中保存本地和遠端信息。無連接socket的客戶端和服務端以及面向連接socket的服務端通過調用bind函數來配置本地信息。
Bind函數將socket與本機上的一個端口相關聯，隨后你就可以在該端口監聽服務請求。Bind函數原型為：

int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen); 
　　Sockfd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地址及端口號等信息的sockaddr類型的指針；
            addrlen常被設置為sizeof(struct sockaddr)。 
　　struct sockaddr結構類型是用來保存socket信息的： 
　　struct sockaddr { 
　　 unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */ 
char sa_data[14]; /* 14 字節的協議地址 */ 
}; 
　　sa_family一般為AF_INET，代表Internet（TCP/IP）地址族；sa_data
則包含該socket的IP地址和端口號。 
　　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; /* 端口號 */ 
　　 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 的指針和指向sockaddr的指針可以相互轉換，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的指針轉換為指向sockaddr的指針；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地址和隨機獲取一個沒有被占用的端口號：

　　my_addr.sin_port = 0; /* 系統隨機選擇一個未被使用的端口號 */
　　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占用的端口來使用。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轉換成為網絡字節優先順序；而sin_addr則不需要轉換。

　　計算機數據存儲有兩種字節優先順序：高位字節優先和低位字節優先。Internet上數據以高位字節優先順序在網絡上傳輸，所以對于在內部是以低位字節優先方式存儲數據的機器，在Internet上傳輸數據時就需要進行轉換，否則就會出現數據不一致。

　　下面是幾個字節順序轉換函數：

·htonl()：把32位值從主機字節序轉換成網絡字節序 
·htons()：把16位值從主機字節序轉換成網絡字節序 
·ntohl()：把32位值從網絡字節序轉換成主機字節序 
·ntohs()：把16位值從網絡字節序轉換成主機字節序 

　　Bind()函數在成功被調用時返回0；出現錯誤時返回"-1"并將errno置為相應的錯誤號。需要注意的是，在調用bind函數時一般不要將端口號置為小于1024的值，因為1到1024是保留端口號，你可以選擇大于1024中的任何一個沒有被占用的端口號。

　　面向連接的客戶程序使用Connect函數來配置socket并與遠端服務器建立一個TCP連接，其函數原型為：

　　int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);
Sockfd是socket函數返回的socket描述符；serv_addr是包含遠端主機IP地址和端口號的指針；addrlen是遠端地質結構的長度。Connect函數在出現錯誤時返回-1，并且設置errno為相應的錯誤碼。進行客戶端程序設計無須調用bind()，因為這種情況下只需知道目的機器的IP地址，而客戶通過哪個端口與服務器建立連接并不需要關心，socket執行體為你的程序自動選擇一個未被占用的端口，并通知你的程序數據什么時候到打斷口。

　　Connect函數啟動和遠端主機的直接連接。只有面向連接的客戶程序使用socket時才需要將此socket與遠端主機相連。無連接協議從不建立直接連接。面向連接的服務器也從不啟動一個連接，它只是被動的在協議端口監聽客戶的請求。

　　Listen函數使socket處于被動的監聽模式，并為該socket建立一個輸入數據隊列，將到達的服務請求保存在此隊列中，直到程序處理它們。

　　int listen(int sockfd， int backlog);

　　Sockfd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，進入的連接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，大多數系統缺省值為20。如果一個服務請求到來時，輸入隊列已滿，該socket將拒絕連接請求，客戶將收到一個出錯信息。

　　當出現錯誤時listen函數返回-1，并置相應的errno錯誤碼。

　　accept()函數讓服務器接收客戶的連接請求。在建立好輸入隊列后，服務器就調用accept函數，然后睡眠并等待客戶的連接請求。

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

　　sockfd是被監聽的socket描述符，addr通常是一個指向sockaddr_in變量的指針，該變量用來存放提出連接請求服務的主機的信息（某臺主機從某個端口發出該請求）；addrten通常為一個指向值為sizeof(struct sockaddr_in)的整型指針變量。出現錯誤時accept函數返回-1并置相應的errno值。

　　首先，當accept函數監視的socket收到連接請求時，socket執行體將建立一個新的socket，執行體將這個新socket和請求連接進程的地址聯系起來，收到服務請求的初始socket仍可以繼續在以前的 socket上監聽，同時可以在新的socket描述符上進行數據傳輸操作。

　　數據傳輸

　　Send()和recv()這兩個函數用于面向連接的socket上進行數據傳輸。

　　Send()函數原型為：

　　int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);
Sockfd是你想用來傳輸數據的socket描述符；msg是一個指向要發送數據的指針；Len是以字節為單位的數據的長度；flags一般情況下置為0（關于該參數的用法可參照man手冊）。

　　Send()函數返回實際上發送出的字節數，可能會少于你希望發送的數據。在程序中應該將send()的返回值與欲發送的字節數進行比較。當send()返回值與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：

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

　　Sockfd是接受數據的socket描述符；buf 是存放接收數據的緩沖區；len是緩沖的長度。Flags也被置為0。Recv()返回實際上接收的字節數，當出現錯誤時，返回-1并置相應的errno值。

　　Sendto()和recvfrom()用于在無連接的數據報socket方式下進行數據傳輸。由于本地socket并沒有與遠端機器建立連接，所以在發送數據時應指明目的地址。
　　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地址和端口號信息，而tolen常常被賦值為sizeof (struct sockaddr)。Sendto 函數也返回實際發送的數據字節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類型的變量，該變量保存源機的IP地址及端口號。fromlen常置為sizeof (struct sockaddr)。當recvfrom()返回時，fromlen包含實際存入from中的數據字節數。Recvfrom()函數返回接收到的字節數或當出現錯誤時返回

　　1，并置相應的errno。

　　如果你對數據報socket調用了connect()函數時，你也可以利用send()和recv()進行數據傳輸，但該socket仍然是數據報socket，并且利用傳輸層的UDP服務。但在發送或接收數據報時，內核會自動為之加上目地和源地址信息。

　　結束傳輸

　　當所有的數據操作結束以后，你可以調用close()函數來釋放該socket，從而停止在該socket上的任何數據操作：

　　close(sockfd);

　　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數據傳輸，而一個方向上的數據傳輸繼續進行。如你可以關閉某socket的寫操作而允許繼續在該socket上接受數據，直至讀入所有數據。

　　int shutdown(int sockfd,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-------不允許繼續接收數據
·1-------不允許繼續發送數據
·2-------不允許繼續發送和接收數據，
·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并置相應errno。

　　代碼實例中的服務器通過socket連接向客戶端發送字符串"Hello, you are connected!"。只要在服務器上運行該服務器軟件，在客戶端運行客戶軟件，客戶端就會收到該字符串。

　　該服務器軟件代碼如下：

#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#define SERVPORT 3333 /*服務器監聽端口號 */ 
#define BACKLOG 10 /* 最大同時連接請求數 */ 
main() 
{ 
int sockfd,client_fd; /*sock_fd：監聽socket；client_fd：數據傳輸socket */ 
　struct sockaddr_in my_addr; /* 本機地址信息 */ 
　struct sockaddr_in remote_addr; /* 客戶端地址信息 */ 
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) { 
　　perror("socket創建出錯！"); 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(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) \ 
　　 == -1) { 
perror("bind出錯！"); 
exit(1); 
} 
　if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) { 
perror("listen出錯！"); 
exit(1); 
} 
while(1) { 
　　sin_size = sizeof(struct sockaddr_in); 
　　if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&remote_addr, \ 
　　&sin_size)) == -1) { 
perror("accept出錯"); 
continue; 
} 
　　printf("received a connection from %s\n", inet_ntoa(remote_addr.sin_addr)); 
　 if (!fork()) { /* 子進程代碼段 */ 
　　 if (send(client_fd, "Hello, you are connected!\n", 26, 0) == -1) 
　　 perror("send出錯！"); 
close(client_fd); 
exit(0); 
} 
　　close(client_fd); 
　　} 
　} 
} 

　　服務器的工作流程是這樣的：首先調用socket函數創建一個Socket，然后調用bind函數將其與本機地址以及一個本地端口號綁定，然后調用listen在相應的socket上監聽，當accpet接收到一個連接服務請求時，將生成一個新的socket。服務器顯示該客戶機的IP地址，并通過新的socket向客戶端發送字符串"Hello，you are connected!"。最后關閉該socket。

　　代碼實例中的fork()函數生成一個子進程來處理數據傳輸部分，fork()語句對于子進程返回的值為0。所以包含fork函數的if語句是子進程代碼部分，它與if語句后面的父進程代碼部分是并發執行的。

　　客戶端程序代碼如下：

#include 
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#define SERVPORT 3333 
#define MAXDATASIZE 100 /*每次最大數據傳輸量 */ 
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出錯！"); 
exit(1); 
} 
　if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){ 
perror("socket創建出錯！"); 
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(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, \ 
　　 sizeof(struct sockaddr)) == -1) { 
perror("connect出錯！"); 
exit(1); 
} 
　if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1) { 
perror("recv出錯！"); 
exit(1); 
} 
　buf[recvbytes] = '\0'; 
　printf("Received: %s",buf); 
　close(sockfd); 
} 

　　函數gethostbyname()是完成域名轉換的。由于IP地址難以記憶和讀寫，所以為了方便，人們常常用域名來表示主機，這就需要進行域名和IP地址的轉換。函數原型為：

　　struct hostent *gethostbyname(const char *name); 
　　函數返回為hosten的結構類型，它的定義如下： 
　　struct hostent { 
　 char *h_name; /* 主機的官方域名 */ 
　　 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; /* 地址的字節長度 */ 
　　 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*/ 

　　當 gethostname()調用成功時，返回指向struct hosten的指針，當調用失敗時返回-1。當調用gethostbyname時，你不能使用perror()函數來輸出錯誤信息，而應該使用herror()函數來輸出。

　　無連接的客戶/服務器程序的在原理上和連接的客戶/服務器是一樣的，兩者的區別在于無連接的客戶/服務器中的客戶一般不需要建立連接，而且在發送接收數據時，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序調用另一個函數。例如，程序執行一個讀數據的函數調用時，在此函數完成讀操作以前將不會執行下一程序語句。當服務器運行到accept語句時，而沒有客戶連接服務請求到來，服務器就會停止在accept語句上等待連接服務請求的到來。這種情況稱為阻塞（blocking）。而非阻塞操作則可以立即完成。比如，如果你希望服務器僅僅注意檢查是否有客戶在等待連接，有就接受連接，否則就繼續做其他事情，則可以通過將Socket設置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
　　#include
　　……
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
fcntl(sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK)；
……

　　通過設置socket為非阻塞方式，可以實現"輪詢"若干Socket。當企圖從一個沒有數據等待處理的非阻塞Socket讀入數據時，函數將立即返回，返回值為-1，并置errno值為EWOULDBLOCK。但是這種"輪詢"會使CPU處于忙等待方式，從而降低性能，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，而同時使系統內核監聽所要求的一組文件描述符的任何活動，只要確認在任何被監控的文件描述符上出現活動，select()調用將返回指示該文件描述符已準備好的信息，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、寫和異常處理的文件描述符集合。如果你希望確定是否可以從標準輸入和某個socket描述符讀取數據，你只需要將標準輸入的文件描述符0和相應的sockdtfd加入到readfds集合中；numfds的值是需要檢查的號碼最高的文件描述符加1，這個例子中numfds的值應為sockfd+1；當select返回時，readfds將被修改，指示某個文件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中對應的文件描述符的設置、復位和測試，它提供了一組宏：
　　FD_ZERO(fd_set *set)----清除一個文件描述符集；
　　FD_SET(int fd,fd_set *set)----將一個文件描述符加入文件描述符集中；
　　FD_CLR(int fd,fd_set *set)----將一個文件描述符從文件描述符集中清除；
　　FD_ISSET(int fd,fd_set *set)----試判斷是否文件描述符被置位。
　　Timeout參數是一個指向struct timeval類型的指針，它可以使select()在等待timeout長時間后沒有文件描述符準備好即返回。struct timeval數據結構為：
　　struct timeval {
　　 int tv_sec; /* seconds */
　　 int tv_usec; /* microseconds */ };

　　POP3客戶端實例

　　下面的代碼實例基于POP3的客戶協議，與郵件服務器連接并取回指定用戶帳號的郵件。與郵件服務器交互的命令存儲在字符串數組POPMessage中，程序通過一個do-while循環依次發送這些命令。

#include 
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#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); 
} 
            

posted on 2007-07-23 22:45 john 閱讀(656) 評論(0)  編輯  收藏 所屬分類: Linux