• Linux下socket编程

    1 什么是Socket？

    socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之中的一个就是“一切皆文件”，都能够用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭），这些函数我们在后面进行介绍。

    1.1 socket一词的起源

    在组网领域的首次使用是在1970年2月12日公布的文献IETF RFC33中发现的，撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。依据美国计算机历史博物馆的记载，Croker写道：“命名空间的元素都可称为套接字接口。一个套接字接口构成一个连接的一端，而一个连接可全然由一对套接字接口规定。”计算机历史博物馆补充道：“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。”

    2 socket的基本操作

    既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作相应的函数接口。以下以TCP为例，介绍几个主要的socket接口函数。

    2.1 socket()函数

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

    socket函数相应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描写叙述字，而socket()用于创建一个socket描写叙述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描写叙述字跟文件描写叙述字一样，兴许的操作都实用到它，把它作为參数，通过它来进行一些读写操作。

    正如能够给fopen的传入不同參数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也能够指定不同的參数创建不同的socket描写叙述符，socket函数的三个參数分别为：

  • domain：即协议域，又称为协议族（family）。经常使用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须採用相应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与port号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
  • type：指定socket类型。经常使用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
  • protocol：故名思意，就是指定协议。经常使用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别相应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。

    注意：并非上面的type和protocol能够任意组合的，如SOCK_STREAM不能够跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自己主动选择type类型相应的默认协议。

    当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描写叙述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个详细的地址。假设想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自己主动随机分配一个port。

    2.2 bind()函数

    正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。比如相应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和port号组合赋给socket。

    int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);


     

    函数的三个參数分别为：

    • sockfd：即socket描写叙述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描写叙述字绑定一个名字。
    • addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构依据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4相应的是：
      struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

              ipv6相应的是：     

    struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};

struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
};

    Unix域相应的是：

    #define UNIX_PATH_MAX    108

struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};

    addrlen：相应的是地址的长度。

    通常server在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+port号），用于提供服务，客户就能够通过它来接连server；而client就不用指定，有系统自己主动分配一个port号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常server端在listen之前会调用bind()，而client就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

    2.2.1 网络字节序与主机字节序

    主机字节序就是我们寻常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义例如以下：

    　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

    　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

    网络字节序：4个字节的32 bit值以以下的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这样的传输次序称作大端字节序。因为TCP/IP首部中全部的二进制整数在网络中传输时都要求以这样的次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。

    所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。因为这个问题曾引发过血案！公司项目代码中因为存在这个问题，导致了非常多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做不论什么假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

    2.3 listen()、connect()函数

    假设作为一个server，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，假设client这时调用connect()发出连接请求，server端就会接收到这个请求。

    int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

    listen函数的第一个參数即为要监听的socket描写叙述字，第二个參数为对应socket能够排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

    connect函数的第一个參数即为client的socket描写叙述字，第二參数为server的socket地址，第三个參数为socket地址的长度。client通过调用connect函数来建立与TCPserver的连接。

    2.4 accept()函数

    TCPserver端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCPclient依次调用socket()、connect()之后就想TCPserver发送了一个连接请求。TCPserver监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就能够開始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

    int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

    accept函数的第一个參数为server的socket描写叙述字，第二个參数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回client的协议地址，第三个參数为协议地址的长度。假设accpet成功，那么其返回值是由内核自己主动生成的一个全新的描写叙述字，代表与返回客户的TCP连接。

    注意：accept的第一个參数为server的socket描写叙述字，是server開始调用socket()函数生成的，称为监听socket描写叙述字；而accept函数返回的是已连接的socket描写叙述字。一个server通常通常只只创建一个监听socket描写叙述字，它在该server的生命周期内一直存在。内核为每一个由server进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描写叙述字，当server完毕了对某个客户的服务，对应的已连接socket描写叙述字就被关闭。

    2.5 read()、write()等函数

    万事具备仅仅欠东风，至此server与客户已经建立好连接了。能够调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络I/O操作有以下几组：

    • read()/write()
    • recv()/send()
    • readv()/writev()
    • recvmsg()/sendmsg()
    • recvfrom()/sendto()

    我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上能够把上面的其他函数都替换成这两个函数。它们的声明例如以下：

    #include <unistd.h>

       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

       #include <sys/types.h>
       #include <sys/socket.h>

       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
       ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

    read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，假设返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。假设错误为EINTR说明读是由中断引起的，假设是ECONNREST表示网络连接出了问题。

    write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描写叙述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描写叙述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是所有的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要依据错误类型来处理。假设错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。假设为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

    其他的我就不一一介绍这几对I/O函数了，详细參见man文档或者baidu、Google，以下的样例中将使用到send/recv。

    2.6 close()函数

    在server与client建立连接之后，会进行一些读写操作，完毕了读写操作就要关闭对应的socket描写叙述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

    #include <unistd.h>
int close(int fd);

    close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后马上返回到调用进程。该描写叙述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个參数。

    注意：close操作仅仅是使对应socket描写叙述字的引用计数-1，仅仅有当引用计数为0的时候，才会触发TCPclient向server发送终止连接请求。

    3 socket中TCP的三次握手建立连接具体解释

    我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程例如以下：

    • client向server发送一个SYN J
    • server向client响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
    • client再想server发一个确认ACK K+1

    仅仅有就完了三次握手，可是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

  • 图1、socket中发送的TCP三次握手

    从图中能够看出，当client调用connect时，触发了连接请求，向server发送了SYN J包，这时connect进入堵塞状态；server监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向client发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入堵塞状态；client收到server的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；server收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完成，连接建立。

    总结：client的connect在三次握手的第二个次返回，而server端的accept在三次握手的第三次返回。

    4 socket中TCP的四次握手释放连接具体解释

    上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。如今我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：

  • 图示步骤例如以下：

    • 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
    • 还有一端接收到FIN M之后，运行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，由于FIN的接收意味着应用进程在对应的连接上再也接收不到额外数据；
    • 一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
    • 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

    这样每一个方向上都有一个FIN和ACK。

     

    5 举例

    说了这么多了，动手实践一下。以下编写一个简单的server、client（使用TCP）——server端一直监听本机的6666号port，假设收到连接请求，将接收请求并接收client发来的消息；client与server端建立连接并发送一条消息。

    server端代码：

    server端

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv)
{
    int    listenfd, connfd;
    struct sockaddr_in     servaddr;
    char    buff[4096];
    int     n;

    if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){
    printf("create socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(6666);

    if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
    printf("bind socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    if( listen(listenfd, 10) == -1){
    printf("listen socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    printf("======waiting for client's request======
");
    while(1){
    if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){
        printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);
        continue;
    }
    n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);
    buff[n] = '';
    printf("recv msg from client: %s
", buff);
    close(connfd);
    }

    close(listenfd);
}


    client代码：

    客户端

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv)
{
    int    sockfd, n;
    char    recvline[4096], sendline[4096];
    struct sockaddr_in    servaddr;

    if( argc != 2){
    printf("usage: ./client <ipaddress>
");
    exit(0);
    }

    if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){
    printf("create socket error: %s(errno: %d)
", strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(6666);
    if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){
    printf("inet_pton error for %s
",argv[1]);
    exit(0);
    }

    if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){
    printf("connect error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    printf("send msg to server: 
");
    fgets(sendline, 4096, stdin);
    if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)
    {
    printf("send msg error: %s(errno: %d)
", strerror(errno), errno);
    exit(0);
    }

    close(sockfd);
    exit(0);
}


    当然上面的代码非常easy，也有非常多缺点，这就仅仅是简单的演示socket的基本函数使用。事实上无论有多复杂的网络程序，都使用的这些基本函数。上面的server使用的是迭代模式的，即仅仅有处理完一个client请求才会去处理下一个client的请求，这种server处理能力是非常弱的，现实中的server都须要有并发处理能力！为了须要并发处理，server须要fork()一个新的进程或者线程去处理请求等。

    本文參考：http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html

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  • 原文地址：https://www.cnblogs.com/zfyouxi/p/4265414.html
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