Linux Socket編程終極者

2909157

什么是Socket
　　 Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，Socket接口定義了許多函數(shù)或例程，程序員可以用它們來開發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序。要學(xué)Internet上的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程，必須理解Socket接口。
　 　 Socket接口設(shè)計者最先是將接口放在Unix操作系統(tǒng)里面的。如果了解Unix系統(tǒng)的輸入和輸出的話，就很容易了解Socket了。網(wǎng)絡(luò)的 Socket數(shù)據(jù)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(shù)調(diào)用Socket()，該函數(shù)返 回一個整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^該Socket實現(xiàn)的。常用的Socket類型有兩種：流式Socket （SOCK_STREAM）和數(shù)據(jù)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(wù)應(yīng)用；數(shù)據(jù) 報式Socket是一種無連接的Socket，對應(yīng)于無連接的UDP服務(wù)應(yīng)用。

1.Socket建立
　　為了建立Socket，程序可以調(diào)用Socket函數(shù)，該函數(shù)返回一個類似于文件描述符的句柄。socket函數(shù)原型為：
　　 int socket(int domain, int type, int protocol);
　 　 domain指明所使用的協(xié)議族，通常為PF_INET，表示互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族（TCP/IP協(xié)議族）；type參數(shù)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(xié)議；protocol通常賦值"0"。 Socket()調(diào)用返回一個整型socket描述符，你可以在后面的調(diào)用使用它。
　　 Socket描述符是一個指向內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，它指向描述符表入口。調(diào)用Socket函數(shù)時，socket執(zhí)行體將建立一個Socket，實際上"建立一個Socket"意味著為一個Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配存儲空間。Socket執(zhí)行體為你管理描述符表。
　　兩個網(wǎng)絡(luò)程序之間的一個網(wǎng)絡(luò)連接包括五種信息：通信協(xié)議、本地協(xié)議地址、本地主機(jī)端口、遠(yuǎn)端主機(jī)地址和遠(yuǎn)端協(xié)議端口。Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含這五種信息。

2.Socket配置
　 　通過socket調(diào)用返回一個socket描述符后，在使用socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸以前，必須配置該socket。面向連接的socket客戶端通過調(diào)用Connect函數(shù)在socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存本地和遠(yuǎn)端信息。無連接socket的客戶端和服務(wù)端以及面向連接socket的服務(wù)端通過調(diào)用 bind函數(shù)來配置本地信息。
Bind函數(shù)將socket與本機(jī)上的一個端口相關(guān)聯(lián)，隨后你就可以在該端口監(jiān)聽服務(wù)請求。Bind函數(shù)原型為：
　　 int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);
　　 Sockfd是調(diào)用socket函數(shù)返回的socket描述符,my_addr是一個指向包含有本機(jī)IP地址及端口號等信息的sockaddr類型的指針；addrlen常被設(shè)置為sizeof(struct sockaddr)。
　　 struct sockaddr結(jié)構(gòu)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(jié)的協(xié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)更方便使用。sin_zero用來將sockaddr_in結(jié)構(gòu)填充到與struct sockaddr同樣的長度，可以用bzero()或memset()函數(shù)將其置為零。指向sockaddr_in 的指針和指向sockaddr的指針可以相互轉(zhuǎn)換，這意味著如果一個函數(shù)所需參數(shù)類型是sockaddr時，你可以在函數(shù)調(diào)用的時候?qū)⒁粋�指向 sockaddr_in的指針轉(zhuǎn)換為指向sockaddr的指針；或者相反。
　　使用bind函數(shù)時，可以用下面的賦值實現(xiàn)自動獲得本機(jī)IP地址和隨機(jī)獲取一個沒有被占用的端口號：
　　 my_addr.sin_port = 0; /* 系統(tǒng)隨機(jī)選擇一個未被使用的端口號 */
　　 my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 填入本機(jī)IP地址 */
通過將my_addr.sin_port置為0，函數(shù)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(tǒng)會自動填入本機(jī)IP地址。
注意在使用bind函數(shù)是需要將sin_port和sin_addr轉(zhuǎn)換成為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)優(yōu)先順序；而sin_addr則不需要轉(zhuǎn)換。
　　計算機(jī)數(shù)據(jù)存儲有兩種字節(jié)優(yōu)先順序：高位字節(jié)優(yōu)先和低位字節(jié)優(yōu)先。Internet上數(shù)據(jù)以高位字節(jié)優(yōu)先順序在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，所以對于在內(nèi)部是以低位字節(jié)優(yōu)先方式存儲數(shù)據(jù)的機(jī)器，在Internet上傳輸數(shù)據(jù)時就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，否則就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致。
　　 下面是幾個字節(jié)順序轉(zhuǎn)換函數(shù)：
·htonl()：把32位值從主機(jī)字節(jié)序轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序
·htons()：把16位值從主機(jī)字節(jié)序轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序
·ntohl()：把32位值從網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序轉(zhuǎn)換成主機(jī)字節(jié)序
·ntohs()：把16位值從網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序轉(zhuǎn)換成主機(jī)字節(jié)序
　　 Bind()函數(shù)在成功被調(diào)用時返回0；出現(xiàn)錯誤時返回"-1"并將errno置為相應(yīng)的錯誤號。需要注意的是，在調(diào)用bind函數(shù)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。

3.連接建立
　　面向連接的客戶程序使用Connect函數(shù)來配置socket并與遠(yuǎn)端服務(wù)器建立一個TCP連接，其函數(shù)原型為：
　　 int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);
Sockfd 是socket函數(shù)返回的socket描述符；serv_addr是包含遠(yuǎn)端主機(jī)IP地址和端口號的指針；addrlen是遠(yuǎn)端地質(zhì)結(jié)構(gòu)的長度。 Connect函數(shù)在出現(xiàn)錯誤時返回-1，并且設(shè)置errno為相應(yīng)的錯誤碼。進(jìn)行客戶端程序設(shè)計無須調(diào)用bind()，因為這種情況下只需知道目的機(jī)器 的IP地址，而客戶通過哪個端口與服務(wù)器建立連接并不需要關(guān)心，socket執(zhí)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(shù)據(jù)什么時候到 打斷口。
　　 Connect函數(shù)啟動和遠(yuǎn)端主機(jī)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(yuǎn)端主機(jī)相連。無連接協(xié)議從不建立直接連接。面向連接的服務(wù)器也從不啟動一個連接，它只是被動的在協(xié)議端口監(jiān)聽客戶的請求。
　　 Listen函數(shù)使socket處于被動的監(jiān)聽模式，并為該socket建立一個輸入數(shù)據(jù)隊列，將到達(dá)的服務(wù)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(tǒng)調(diào)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(shù)，進(jìn)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(wù)的請求的數(shù)目進(jìn)行了限制，大多數(shù)系統(tǒng)缺省值為20。如果一個服務(wù)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(dāng)出現(xiàn)錯誤時listen函數(shù)返回-1，并置相應(yīng)的errno錯誤碼。
　　 accept()函數(shù)讓服務(wù)器接收客戶的連接請求。在建立好輸入隊列后，服務(wù)器就調(diào)用accept函數(shù)，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(jiān)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(wù)的主機(jī)的信息（某 臺主機(jī)從某個端口發(fā)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(xiàn)錯誤時accept函數(shù)返回-1并置相應(yīng)的errno值。
　　首先，當(dāng)accept函數(shù)監(jiān)視的 socket收到連接請求時，socket執(zhí)行體將建立一個新的socket，執(zhí)行體將這個新socket和請求連接進(jìn)程的地址聯(lián)系起來，收到服務(wù)請求的 初始socket仍可以繼續(xù)在以前的 socket上監(jiān)聽，同時可以在新的socket描述符上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作。

4.數(shù)據(jù)傳輸
　　 Send()和recv()這兩個函數(shù)用于面向連接的socket上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
　　 Send()函數(shù)原型為：
　　 int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);
Sockfd是你想用來傳輸數(shù)據(jù)的socket描述符；msg是一個指向要發(fā)送數(shù)據(jù)的指針；Len是以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)的長度；flags一般情況下置為0（關(guān)于該參數(shù)的用法可參照man手冊）。
　　 Send()函數(shù)返回實際上發(fā)送出的字節(jié)數(shù)，可能會少于你希望發(fā)送的數(shù)據(jù)。在程序中應(yīng)該將send()的返回值與欲發(fā)送的字節(jié)數(shù)進(jìn)行比較。當(dāng)send()返回值與len不匹配時，應(yīng)該對這種情況進(jìn)行處理。
char *msg = "Hello!";
int len, bytes_sent;
……
len = strlen(msg);
bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);
……
　　 recv()函數(shù)原型為：
　　 int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);
　　 Sockfd是接受數(shù)據(jù)的socket描述符；buf 是存放接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；len是緩沖的長度。Flags也被置為0。Recv()返回實際上接收的字節(jié)數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)錯誤時，返回-1并置相應(yīng)的errno值。
Sendto()和recvfrom()用于在無連接的數(shù)據(jù)報socket方式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于本地socket并沒有與遠(yuǎn)端機(jī)器建立連接，所以在無連接的數(shù)據(jù)報發(fā)送數(shù)據(jù)時應(yīng)指明目的地址。
sendto()函數(shù)原型為：
　　 int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen);
　　該函數(shù)比send()函數(shù)多了兩個參數(shù)，to表示目地機(jī)的IP地址和端口號信息，而tolen常常被賦值為sizeof (struct sockaddr)。Sendto 函數(shù)也返回實際發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)長度或在出現(xiàn)發(fā)送錯誤時返回-1。
　　 Recvfrom()函數(shù)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(jī)的IP地址及端口號。fromlen常置為sizeof (struct sockaddr)。當(dāng)recvfrom()返回時，fromlen包含實際存入from中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。Recvfrom()函數(shù)返回接收到的字節(jié)數(shù)或 當(dāng)出現(xiàn)錯誤時返回-1，并置相應(yīng)的errno。
如果你對數(shù)據(jù)報socket調(diào)用了connect()函數(shù)時，你也可以利用send()和recv()進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但該socket仍然是數(shù)據(jù)報socket，并且利用傳輸層的UDP服務(wù)。但在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)報時，內(nèi)核會自動為之加上目地和源地址信息。

5.結(jié)束傳輸
當(dāng)所有的數(shù)據(jù)操作結(jié)束以后，你可以調(diào)用close()函數(shù)來釋放該socket，從而停止在該socket上的任何數(shù)據(jù)操作：
close(sockfd);
　　你也可以調(diào)用shutdown()函數(shù)來關(guān)閉該socket。該函數(shù)允許你只停止在某個方向上的數(shù)據(jù)傳輸，而一個方向上的數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進(jìn)行。如你可以關(guān)閉某socket的寫操作而允許繼續(xù)在該socket上接受數(shù)據(jù)，直至讀入所有數(shù)據(jù)。
　　 int shutdown(int sockfd,int how);
　　 Sockfd是需要關(guān)閉的socket的描述符。參數(shù) how允許為shutdown操作選擇以下幾種方式：
　　 ·0-------不允許繼續(xù)接收數(shù)據(jù)
　　 ·1-------不允許繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)
　　 ·2-------不允許繼續(xù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，
　　 ·均為允許則調(diào)用close ()
　　 shutdown在操作成功時返回0，在出現(xiàn)錯誤時返回-1并置相應(yīng)errno。

第四章 套接口的類型與協(xié)議
4.1指定套接口的域
在函數(shù)socketpair與socket的domain參數(shù)中有AF_UNIX,AF_LOCAL,AF_INET,PF_UNIX,PF_LOCAL,PF_INET.
這幾個參數(shù)有AF_UNIX=AF_LOCAL, PF_UNIX=PF_LOCAL, AF_LOCAL=PF_LOCAL, AF_INET=PF_INET.
**建議:對于socketpair與socket的domain參數(shù),使用PF_LOCAL系列,而在初始化套接口地址結(jié)構(gòu)時,則使用AF_LOCAL.
例如:
     z = socket(PF_LOCAL, SOCK_STREAM, 0);
     adr_unix.sin_family = AF_LOCAL;
4.3選擇套接口
在函數(shù)socketpair與socket中選擇代表協(xié)議族的參數(shù)domain：
-PF_LOCAL：表明指定的協(xié)議族是本地UNIX協(xié)議族
-PF_INET：表明指定的是Internet協(xié)議族
在函數(shù)socketpair與socket中type的參數(shù)：
-SOCK_STREAM:常用
-SOCK_DGRAM:常用
-SOCK_SEQPACKET:X.25,AX.25使用
-SOCK_RW:表示編程者要一個原始(raw)套接口界面.可以對通信和分組進(jìn)行更直接的控制,但它要編程式者對協(xié)議和底層分組結(jié)構(gòu)非常熟悉.本書沒有介紹.略.....
4.3.1 SOCK_STREAM套接口
    套接口中的流與UNIX中管道的概念相近.
    字節(jié)流中沒有分界線,也沒有邊界;沒有記錄的長度工塊的大小,在接收端也不存在分組的概念,在接收端獲得的所有數(shù)據(jù)都返回到調(diào)用者的緩沖區(qū)中.
    例如:
        1)本地進(jìn)程寫入25字節(jié)數(shù)據(jù),通過套接口發(fā)到遠(yuǎn)程進(jìn)程
        2)本地進(jìn)程再寫30字節(jié)數(shù)據(jù),發(fā)出.
        3)遠(yuǎn)程進(jìn)程從套接口接收數(shù)據(jù),共收到本地進(jìn)程在1)和2)中發(fā)送的55字節(jié).
    另一重要性質(zhì):有序性
    SOCK_STREAM 套接口
        1)不保留消息邊界:接收端無法知道發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時共執(zhí)行了幾次write
        2)保證接收數(shù)據(jù)字節(jié)與發(fā)送時順序一致
        3)保證寫入的數(shù)據(jù)在接收端被無錯接收
4.3.2 SOCK_DGRAM
    當(dāng)我們不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕^對有序性時和有需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詴r，可以考慮使用SOCK_DGRAM.
    特性：
    1）分組發(fā)送后，可能無序的到達(dá)接收端。
    2）分組可以可能發(fā)生丟失。
    3）數(shù)據(jù)報分組有尺寸的大小限制，如果超出，可能會無法傳送。
    4）分組可以在不建立連接的情況下被發(fā)送到遠(yuǎn)程進(jìn)程，這就允許本地進(jìn)程每次將消息發(fā)送給不同IP地址上的同樣的端口。
4.3.3 SOCK_SEQPACKET
    本套接口對于X.25和AX.25協(xié)議非常重要,它與SOCK_STREAM的差別:SOCK_STERAM不保留消息邊界,而SOCK_SEQPACKET保留.
    特性:
    1)保留消息邊界
    2)數(shù)據(jù)字節(jié)的接收順序與發(fā)送順序一致
    3)保證發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)被無錯地傳送到接收端
    4)數(shù)據(jù)是通過一對連接的套接口進(jìn)行傳送的
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注意:不是每個協(xié)議族都可以使用所有的套接口類型,如:PF_INET協(xié)議族支持SOCK_STREAM類型,但不支持SOCK_SEQPACKET類型,對于PF_X25協(xié)議族則相反,支持SOCK_SEQPACKET類型,但不支持SOCK_STREAM類型
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4.4 選擇協(xié)議
域(Domain) 套接口類型(socket type)    協(xié)議(Protocol)      描述(Description)
PF_LOCAL      SOCK_STREAM                0                   本地流套接口
PF_LOCAL      SOCK_DGRAM                 0                   本地數(shù)據(jù)報套接口
PF_INET       SOCK_STREAM                0或IPPROTO_TCP      TCP/IP流套接口
PF_INET       SOCK_DGRAM                 0或IPPROTO_UDP      UDP數(shù)據(jù)報套接口
4.6 linux支持的協(xié)議
socket()參數(shù)
域(Domain)    套接口類型(Socket Type)    描述
PF_LOCAL      SOCK_STREAM                本地主機(jī)上提供面向流的套接口.該服務(wù)是一各面向連接的可靠有序的服務(wù).注意:PF_UNIX=PF_LOCAL
PF_LOCAL      SOCK_DGRAM                 在本地主機(jī)上提供數(shù)據(jù)服務(wù).該服務(wù)是一種可靠的非連接的服務(wù),但在內(nèi)核緩沖耗盡時也可能會發(fā)生分組丟失
PF_INET       SOCK_STREAM                為面向Internet連接套接口提供流I/O服務(wù).這種組合表明所使用的是TCP/IP協(xié)議,因此是可靠,有序的
PF_INET       SOCK_DGRAM                 為面向Internet連接套接口提供數(shù)據(jù)報I/O服務(wù),這中組合表明所使用的是UDP協(xié)議,因此是不可靠的
PF_INET6      SOCK_STREAM                為面向IPv6連接套接口提供流I/O服務(wù),.這種組合表明所使用的是TCP/IP協(xié)議,因此是可靠,有序的
PF_INET6      SOCK_SEQPACKET             為面向IPv6連接套接口提供流I/O服務(wù),.這種組合表明所使用的是TCP/IP協(xié)議,因此是可靠,有序的,且保留了消息的邊界
PF_INET6      SOCK_DGRAM                 為面向IPv6連接套接口提供數(shù)據(jù)報I/O服務(wù),這中組合表明所使用的是UDP協(xié)議,因此是不可靠的
PF_X25        SOCK_DGRAM (????)         為X.25協(xié)議提供流I/O服務(wù),該服務(wù)是一種面向連接的服務(wù),是可靠的,有序的,且保留了消息邊界
PF_AX25       SOCK_STREAM                為AX.25協(xié)議提供流I/O服務(wù),該服務(wù)是一種面向連接的服務(wù),是可靠的,有序的,且保留了消息邊界
PF_AX25       SOCK_DGRAM                 為面向AX.25連接套接口提供數(shù)據(jù)報I/O服務(wù),是不可靠的
PF_APPLETALK SOCK_DGRAM (????)         為AppleTalk的套接口提供流I/O服務(wù),該服務(wù)是一種面向連接的服務(wù),是可靠的,有序的
PF_APPLETALK SOCK_STREAM                是一個擴(kuò)展
PF_ECONET     SOCK_DGRAM                 Acorn Econet和AUN協(xié)議的實現(xiàn)
PF_IPX        SOCK_STREAM                IPX協(xié)議,流套接口
PF_IPX        SOCK_DGRAM                 IPX協(xié)議,數(shù)據(jù)報套接口
PF_IPX        SOCK_SEQPACKET             IPX協(xié)議,有序分組套接口
PF_IRDA       SOCK_STREAM                支持IrDA子系統(tǒng),使用流套接口(紅外線通信)
PF_IRDA       SOCK_SEQPACKET             支持IrDA子系統(tǒng),使用保留消息邊界的流套接口(紅外線通信)
PF_NETROM     SOCK_SEQPACKET             業(yè)余無線電NetROM協(xié)議
PF_ROSE       SOCK_SEQPACKET             業(yè)余無線電X.25PLP協(xié)議



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