Linux 网络编程基础 客户端/服务器的简单实现

一、 Socket的基本知识
1. socket历史与功能
在80年代早期，加利福尼亚大学伯克利分校的一个研究组，将TCP/IP软件一直到UNIX操作系统上。作为实现该项目的一部分，他们设计了一种接口，应用程序可以通过这个接口方便的进行通信。这样做的结果是出现了插件接口(Barkeley Socket)。




图1. Socket层次

Socket实质上提供了进程通信的端点，进程通信之前，双方必须首先各自创建一个端点，否则是没有办法建立联系并相互通信的。

每一个Socket都一个半相关描述：

{协议， 本地地址， 本地端口}

完整的Socket的描述：

{协议， 本地地址， 本地端口， 远程地址， 远程端口}

2. Socket工作流程
l 服务器端
首先，服务器应用程序用系统调用socket()来创建一个socket，它是系统分配给该服务器进程的类似文件描述符的资源，不能与其他进程共享。

接下来，需要给socket绑定，本地socket绑定的是Linux文件系统中的文件名，一般放在/tmp或者/usr/tmp目录中。对于网络socket，要和客户连接的特定网络相关的服务标示符（端口号或者访问点）。可以使用系统调用bind()来绑定socket，然后服务器进程就用listen()创建一个队列将客户的连接存入队列，再使用accept()接收客户的连接。

服务器调用accept()时会创建一个和原有的socket不同的新socket。这个新socket只用于与这个特定的客户进行通信，而原socket保留下来继续处理来自其他客户的连接。

l 客户端
客户端是首先调用socket()创建一个未绑定的socket，然后将服务器的socket作为一个地址调用connect()与服务器建立连接。




图2 面向连接(TCP)的Socket工作流程




图3 UDP的socket工作流程

3. 套接字属性
l 套接字的域(domain)
AF_INET
互联网络

AF_UNIX
UNIX文件系统

AF_ISO
基于ISO标准协议的网络

AF_XNS
Xerox网络系统

l 套接字的类型(type)
套接字有三种类型：流式套接字(SOCK_STREAM)，数据报套接字(SOCK_DGRAM)及原始套接字。

流式套接字(SOCK_STREAM)
流式的套接字可以提供可靠的、面向连接的通讯流。如果你通过流式套接字发送顺序的数据：“1”、“2”，那么数据到达的顺序也是“1”、“2”。流式套接字在AF_INET域中使用TCP协议来保证数据传输的正确性及顺序性。TCP是TCP/IP协议的前半部分，IP只处理网络路由。

数据报套接字(SOCK_DGRAM)
数据报协议定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠，无差错。它使用UDP/IP协议。UDP将数据打包，贴上IP地址，然后发送。这个过程不需要建立连接。

原始套接字
原始套接字主要用于一些协议的开发，可以进行比较底层的操作。它功能强大，但是没有流式套接字和数据报套接字使用方便，一般的程序也不涉及到原始套接字。

4. 套接字地址
AF_INET与AF_UNIX域的套接字地址结构不相同，分别为struct sockaddr_in, struct sockaddr_un。

l AF_INET地址结构
#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in

{

short int sin_family; /* AF_INET */

unsigned short int sin_port; /* Port Numbers*/

struct in_addr sin_addr; /* Internet Address */

}
IP地址结构in_add定义为：

struct in_addr

{

unsigned long int s_addr; /* IP地址是四个字节的一个32位值 */

}
l AF_UNIX地址结构
#include <sys/un.h>

struct sockaddr_un

{

sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */

char sun_path[]; /* pathname */

}
在当前的Linux系统中，由X/Open规范定义的类型sa_family_t在头文件sys/un.h中声明，它是短整数类型。另外sun_path指定的路径名长度也是有限制的（Linux规定的是108个字符）。

二、 转换函数
1. 主机字节序和网络字节序
因为每一个机器内部对变量的字节存储顺序不同（有的系统是高位在前，低位在后，有的系统是的低位在前，高位在后），而网络传输的字节序需要统一。所以，对于主机字节序和网络字节序不同的机器，就一定要对数据进行转换（例如IP地址的表示和端口号的表示）。如果主机字节序和网络字节序相同，也要调用转换函数，真正转换 还是不转换由系统函数自己决定。

转换函数：

#include <netinet/in.h>

unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong); /* host to network long */

unsigned short int htons(unsinged short int hostshort); /* host to network short */

unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong); /* network to host long */

unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort); /* network to host short */
这些函数将16位和32位整数在主机字节序和标准的网络字节序之间进行转换。“h”代表主机“host”，“n”代表网络“network”，“l”代表“long”，“s”代表“short”。

三、 socket系统调用
1. 创建套接字socket()
socket()系统调用创建一个套接字并返回一个描述符，该描述符可以用来访问该套接字。

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);
创建的套接字是一条通信线路的一个端点，domain参数指定协议族，type参数指定这个套接字的通信类型，protocol参数指定使用的协议。

最常用的套接字域是AF_UNIX和AF_INET，前者用于通过UNIX和Linux文件系统实现的本地套接字，后者用于UNIX网络套接字。AF_INET套接字可以用于通过包括互联网在内的TCP/IP网络进行通信的程序。

参数type指定这个socket的通信类型，protocol参数指定使用的协议。通信所需的协议一般是由socket类型来决定，通常不需要进行选择。只有当需要选择的时候，才会用到protocol参数。将protocol参数设置为0表示使用默认协议。

socket返回一个描述符，类似于文件描述符。这个描述符可以用于read()，write()等系统调用来连接另一个socket。

实例：创建socket，AF_INET，SOCK_STREAM。

server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);2. 绑定socket
在调用socket()获得描述符之后，需要对该套接字进行绑定。AF_UNIX套接字会关联到一个文件系统的路径名，而AF_INET套接字会关联到一个IP端口号。

#include <sys/socket.h>

int bind(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);
bind将参数address中的地址分配给与文件描述符socket关联的未命名套接字。address_len传递地址结构体的长度。 地址的长度取决于地址的类型。bind系统调用需要将struct sockaddr_in或struct sockaddr_un指针转换成struct sockaddr *类型。

bind在调用成功时返回0， 失败是返回-1并设置errno。

EBADF
文件描述符无效

ENOTSOCK
文件描述符对应的不是一个socket

EINVAL
文件描述符对应的是一个已经绑定的socket

EADDRNOTAVAIL
地址不可用

EADDRINUSE
地址已经绑定了一个socket

表2 errno值

AF_UNIX还有一些错误代码

EACCESS
权限不足，不能创建文件系统中的路径名

ENOTDIR, ENAMETOOLONG
文件名不符合要求

表3 AF_UNIX部分errno值

实例：

bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, server_len);3. 创建套接字队列
为了能够在套接字上接受进入的链接，服务器要建立一个队列来保存未处理的请求。

#include <sys/socket.h>

int listen(int socket, int backlog);
参数backlog设置队列中可以容纳的未处理连接的最大个数。超过这个数字后，剩下的连接会被拒绝。backlog常用值为5……

listen函数会在成功时返回0，失败时返回-1，错误代码包括EBADF,EINVAL和ENOTSOCK。

实例：

listen(server_sockfd, 5);4. 接受连接
一旦服务器程序创建并绑定了socket之后，他就可以通过用accept()来等待客户建立对该socket的连接。

#inculde <sys/socket.h>

int accept(int socket, struct sockaddr *address, size_t *address_len);
accept只有当有客户程序尝试连接到由socket参数指定的socket上时才返回。accept将创建一个新socket来与该客户进行通信，将该socket描述符作为返回值。之后的读写动作都关联到该socket描述符上。

参数socket所关联的套接字必须首先已经被bind绑定，而且有listen为其分配连接队列。参数address表示客户的地址，如果不关心客户的地址值可设为空指针。

如果socket没有未处理的连接accept将阻塞直到队列中有未处理的连接。可以通过设置O_NONBLOCK来改变。实例：

int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);

fcntl(socket, F_SETFL, O_NONBLOCK | flags);
发生错误时，accept会返回-1。

5. 请求连接
客户程序通过与服务器监听套接字之间绑定的方法连接到服务器。

#include <sys/socket.h>

int connect(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);
参数socket指定的套接字将连接到参数address指定的服务器的socket上。

成功时，connect返回0，失败返回-1。

如果连接不能立刻建立，connect将阻塞到超时时间，超过超时时间连接将被放弃，连接失败。

6. 关闭socket
可以通过close()来终止服务器与客户端的socket连接。

#include <unistd.h>

int close(int socket);
7. 发送数据send()
send()同样可以发送数据，与write()不同的是，send()只能用于socket数据的发送。

#include <sys/socket.h>

int send(int socket, const void *buff, int len, int flags)
参数中，buff指向要发送的数据，len为要发送数据的长度， flags一般为0。

成功时send返回发送的字节数，失败返回-1。

8. 接收数据recv()
与send()相同，recv()也只能用于socket的数据发送。

#include <sys/socket.h>

int recv(int socket, void *buf, int len, unsigned int flags)
buf指向存放接收数据的缓冲区，len为数据长度，flags一般为0。

成功时recv()返回接收的字节数，失败时返回-1。

9. 发送数据sendto()
sendto需要带上发送目的地的地址信息，可以用于UDP通讯的实现，TCP中也可以使用sendto()。

#include <sys/socket.h>

int sendto(int socket, const void *buff, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *addr_to, int addr_len)
buff指向要发送的数据，len为要发送的数据的长度，flags一般为0，addr_to携带发送目的IP的信息，addr_len是地址信息的长度。

成功时，sendto返回发送的字节数，失败返回-1。

10．接收数据recvfrom()
recvfrom()与sendto配套使用，实现数据的收发。

#include <sys/socket.h>

int recvfrom(int socket, const void *buff, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *addr_from, int addr_len)
buff指向接收数据的缓冲区，len为数据长度，flags一般为0， addr_from存放数据来源的IP地址，addr_len为地址信息的长度。

recvfrom成功时返回接收的字节数，失败返回-1。

四、 阻塞
connect()，recv()都是阻塞性函数，当需求的资源没有准备好的时候，调用函数的进程将进入休眠状态，这样就无法处理I/O多路复用的情况了。

解决这个问题的方法与普通的文件操作相同：使用fcntl()或者select()函数。相比较fcntl()，select()函数还可以设置等待时间，功能更为强大。

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