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[分享] Unix環境下的Socket編程

Unix環境下的Socket編程

什麼是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也具有一個類似於打開文件的函數調用Socket(),該函數返回一個整型的Socket描述符,隨後
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,針對於面向連接
的TCP服務應用;數據報式Socket是一種無連接的Socket,對應於無連接的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於文件描述符的句柄。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,你可以在後面
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描述符後,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,隨後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佔用的端口
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佔用的端口來使用。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,所以對於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"並將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於1024的值,因為1到1024是保留端口號,你可以選擇
大於1024中的任何一個沒有被佔用的端口號。

連接建立
  面向連接的客戶程序使用Connect函數來配置socket並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,並且設置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
連接並不需要關心,socket執行體為你的程序自動選擇一個未被佔用的端口,並通知你的程序數據什麼時
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處於被動的監聽模式,並為該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,並置相應的errno錯誤碼。
  accept()函數讓服務器接收客戶的連接請求。在建立好輸入隊列後,服務器就調用accept函數,然後
睡眠並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(某台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並置相應的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繫起來,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。

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數據傳輸
  Send()和recv()這兩個函數用於面向連接的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字節數,可能會少於你希望發送的數據。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衝區;len是緩衝的長度。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並置相應的errno值。
Sendto()和recvfrom()用於在無連接的數據報socket方式下進行數據傳輸。由於本地socket並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,並置相應的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,並且利用傳輸層的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並置相應errno。

面向連接的Socket實例
  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 %sn", 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,然後調用bind函數將其與本機地址以及一個本地端口號綁定,然後調用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,並通過新的socket向客戶端發送字符串"Hello,you are connected!"。最後關閉該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()語句對於子進程返回的值為0。所以包含fork函數的if語句是子進程代碼部分,它與if語句後面的父進程代碼部分是並發執行的。

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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] = '

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