Linux C编程---网络编程

摘要

　　网络编程，一定离不开套接口；那什么是套接口呢？在Linux下，所有的I/O操作都是通过读写文件描述符而产生的，文件描述符是一个和打开的文件相关联的整数，这个文件并不只包括真正存储在磁盘上的文件，还包括一个网络连接、一个命名管道、一个终端等，而套接口就是系统进程和文件描述符通信的一种方法。目前最常用的套接口是字：字节流套接口(基于TCP)和数据报套接口(基于UDP)，当然还有原始套接口(原始套接口提供TCP套接口和UDP套接口所不提供的功能，如构造自己的TCP或UDP分组)等，我们这里主要介绍字节流套接口和数据报套接口。

 

 

By Wing

　　网络编程，一定离不开套接口；那什么是套接口呢？在Linux下，所有的I/O操作都是通过读写文件描述符而产生的，文件描述符是一个和打开的文件相关联的整数，这个文件并不只包括真正存储在磁盘上的文件，还包括一个网络连接、一个命名管道、一个终端等，而套接口就是系统进程和文件描述符通信的一种方法。目前最常用的套接口是字：字节流套接口(基于TCP)和数据报套接口(基于UDP)，当然还有原始套接口(原始套接口提供TCP套接口和UDP套接口所不提供的功能，如构造自己的TCP或UDP分组)等，我们这里主要介绍字节流套接口和数据报套接口。

 

　　要学习网络编程，一定离不开网络库的函数，在Linux系统下，可以用"man函数名"来得到这个函数的帮助，不过为了照顾E文不大好的朋友，下面就将常用的网络函数和用法列出来供大家参考：

 

　　１、socket函数：为了执行网络输入输出，一个进程必须做的第一件事就是调用socket函数获得一个文件描述符。

 

-----------------------------------------------------------------
 #include <sys/socket.h>
 int socket(int family,int type,int protocol);
  　返回：非负描述字－－－成功　　　-1－－－失败
 -----------------------------------------------------------------

 

　　第一个参数指明了协议簇，目前支持5种协议簇，最常用的有AF_INET(IPv4协议)和AF_INET6(IPv6协议)；第二个参数指明套接口类型，有三种类型可选：SOCK_STREAM(字节流套接口)、SOCK_DGRAM(数据报套接口)和SOCK_RAW(原始套接口)；如果套接口类型不是原始套接口，那么第三个参数就为0。

 

　　２、connect函数：当用socket建立了套接口后，可以调用connect为这个套接字指明远程端的地址；如果是字节流套接口，connect就使用三次握手建立一个连接；如果是数据报套接口，connect仅指明远程端地址，而不向它发送任何数据。

 

-----------------------------------------------------------------
 #include <sys/socket.h>
  int connect(int sockfd,const struct sockaddr * servaddr,socklen_t
 addrlen);
 　　返回：0－－－成功　　　-1－－－失败
 -----------------------------------------------------------------

 

　　第一个参数是socket函数返回的套接口描述字；第二和第三个参数分别是一个指向套接口地址结构的指针和该结构的大小。

 

　　这些地址结构的名字均已“sockaddr_”开头，并以对应每个协议族的唯一后缀结束。以IPv4套接口地址结构为例，它以“sockaddr_in”命名，定义在头文件<netinet/in.h>；以下是结构体的内容：

 

------------------------------------------------------------------
struct in_addr {
 in_addr_t s_addr; /* IPv4地址 */
};
struct sockaddr_in {
 uint8_t sin_len; /* 无符号的8位整数 */
sa_family_t sin_family;
/* 套接口地址结构的地址簇，这里为AF_INET */
in_port_t sin_port; /* TCP或UDP端口 */
struct in_addr sin_addr;
 char sin_zero[8];
 };
 -------------------------------------------------------------------

 

　　３、bind函数：为套接口分配一个本地IP和协议端口，对于网际协议，协议地址是32位IPv4地址或128位IPv6地址与16位的TCP或UDP端口号的组合；如指定端口为0，调用bind时内核将选择一个临时端口，如果指定一个通配IP地址，则要等到建立连接后内核才选择一个本地IP地址。

 

-------------------------------------------------------------------
#include <sys/socket.h>
 int bind(int sockfd,const struct sockaddr * myaddr,socklen_t
 addrlen);
 返回：0－－－成功　　　-1－－－失败　
 -------------------------------------------------------------------

 

　　第一个参数是socket函数返回的套接口描述字；第二和第第三个参数分别是一个指向特定于协议的地址结构的指针和该地址结构的长度。

 

　　４、listen函数：listen函数仅被TCP服务器调用，它的作用是将用sock创建的主动套接口转换成被动套接口，并等待来自客户端的连接请求。

 

-------------------------------------------------------------------
#include <sys/socket.h>
 int listen(int sockfd,int backlog);
 返回：0－－－成功　　　-1－－－失败
 -------------------------------------------------------------------

 

　　第一个参数是socket函数返回的套接口描述字；第二个参数规定了内核为此套接口排队的最大连接个数。由于listen函数第二个参数的原因，内核要维护两个队列：以完成连接队列和未完成连接队列。未完成队列中存放的是TCP连接的三路握手为完成的连接，accept函数是从以连接队列中取连接返回给进程；当以连接队列为空时，进程将进入睡眠状态。

 

　　５、accept函数：accept函数由TCP服务器调用，从已完成连接队列头返回一个已完成连接，如果完成连接队列为空，则进程进入睡眠状态。

 

-------------------------------------------------------------------
#include <sys/socket.h>
 int accept(int sockfd,struct sockaddr *
 cliaddr,socklen_t * addrlen);
  回：非负描述字－－－成功　　　-1－－－失败
 -------------------------------------------------------------------

 

　　第一个参数是socket函数返回的套接口描述字；第二个和第三个参数分别是一个指向连接方的套接口地址结构和该地址结构的长度；该函数返回的是一个全新的套接口描述字；如果对客户段的信息不感兴趣，可以将第二和第三个参数置为空。

 

　　６、inet_pton函数：将点分十进制串转换成网络字节序二进制值，此函数对IPv4地址和IPv6地址都能处理。

 

-------------------------------------------------------------------
#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int family,const char * strptr,void * addrptr);
 返回：1－－－成功　0－－－输入不是有效的表达格式　-1－－－失败
 -------------------------------------------------------------------

 

　　第一个参数可以是AF_INET或AF_INET6：第二个参数是一个指向点分十进制串的指针：第三个参数是一个指向转换后的网络字节序的二进制值的指针。

 

　　７、inet_ntop函数：和inet_pton函数正好相反，inet_ntop函数是将网络字节序二进制值转换成点分十进制串。

 

-------------------------------------------------------------------
#include <arpa/inet.h>
 const char * inet_ntop(int family,const void *
addrptr,char * strptr,size_t len);
 返回：指向结果的指针－－－成功　　　NULL－－－失败
 -------------------------------------------------------------------

 

　　第一个参数可以是AF_INET或AF_INET6：第二个参数是一个指向网络字节序的二进制值的指针；第三个参数是一个指向转换后的点分十进制串的指针；第四个参数是目标的大小，以免函数溢出其调用者的缓冲区。

 

　　８、fock函数：在网络服务器中，一个服务端口可以允许一定数量的客户端同时连接，这时单进程是不可能实现的，而fock就分配一个子进程和客户端会话，当然，这只是fock的一个典型应用。

 

-------------------------------------------------------------------
#include <unistd.h>
 pid_t fock(void);
返回：在子进程中为0，在父进程中为子进程ID-1－－－失败
 -------------------------------------------------------------------

 

fock函数调用后返回两次，父进程返回子进程ID，子进程返回0。

 

　　有了上面的基础知识，我们就可以进一步了解TCP套接口和UDP套接口

 

　　１、TCP套接口

 

TCP套接口使用TCP建立连接，建立一个TCP连接需要三次握手，基本过程是服务器先建立一个套接口并等待客户端的连接请求；当客户端调用connect进行主动连接请求时，客户端TCP发送一个SYN，告诉服务器客户端将在连接中发送的数据的初始序列号；当服务器收到这个SYN后也给客户端发一个SYN，里面包含了服务器将在同一连接中发送的数据的初始序列号；最后客户在确认服务器发的SYN。到此为止，一个TCP连接被建立。

 

　　下面就用一个例子来说明服务器和客户是怎么连接的

 

-------------------------------------------------------------------
/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
int main(int argc,char *argv[]) {
int sockfd,numbytes;
char buf[100];
struct hostent *he;
struct sockaddr_in their_addr;
int i = 0;
//将基本名字和地址转换
he = gethostbyname(argv[1]);
//建立一个TCP套接口
if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) {
perror("socket");
exit(1);
}
//初始化结构体，连接到服务器的2323端口
their_addr.sin_family = AF_INET;
their_addr.sin_port = htons(2323);
their_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)he->h_addr);
bzero(&(their_addr.sin_zero),8);
//和服务器建立连接
if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&their_addr,
sizeof(struct sockaddr))
==-1){
perror("connect");
exit(1);
}
//向服务器发送字符串"hello!"
if(send(sockfd,"hello!",6,0)==-1) {
perror("send");
exit(1);
}
//接受从服务器返回的信息
if((numbytes = recv(sockfd,buf,100,0))==-1) {
perror("recv");
exit(1);
}
buf[numbytes] = '';
printf("result:%s",buf);
close(sockfd);
return 0;
}
--------------------------------------------------------------------
/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
main() {
int sockfd,new_fd;
struct sockaddr_in my_addr;
struct sockaddr_in their_addr;
int sin_size;
//建立TCP套接口
if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) {
perror("socket");
exit(1);
}
//初始化结构体，并绑定2323端口
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_port = htons(2323);
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bzero(&(my_addr.sin_zero),8);
//绑定套接口
if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct
 sockaddr))==-1)
{
perror("bind");
exit(1);
}
//创建监听套接口
if(listen(sockfd,10)==-1) {
perror("listen");
exit(1);
}
//等待连接
while(1) {
sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
perror("server is run");
//如果建立连接，将产生一个全新的套接字
if((new_fd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)
&their_addr,&sin_size))==-1)
{
perror("accept");
exit(1);
}
//生成一个子进程来完成和客户端的会话，父进程继续监听
if(!fork()) {
//读取客户端发来的信息
if((numbytes = recv(new_fd,buff,strlen(buff),0))==-1)
{
perror("recv");
exit(1);
}
printf("%s",buff);
//将从客户端接收到的信息再发回客户端
if(send(new_fd,buff,strlen(buff),0)==-1)
perror("send");
close(new_fd);
exit(0);
}
close(new_fd);
}
close(sockfd);
}
------------------------------------------------------------------

 

现在让我们来编译这两个程序：

 

root@linuxaid#gcc -o server server.c
root@linuxaid#gcc -o client client.c

 

然后在一台计算机上先运行服务器程序，再在另一个终端上运行客户端就会看到结果；如果不运行服务器程序而先运行客户程序将立即提示"Connect: Connectionrefused"，这就是TCP套接口的好处，如果是UDP套接口将会有一个延时才会得到错误信息(UDP套接口后面有介绍)。

 

　　建立一个TCP连接需要三次握手，而断开一个TCP则需要四个分节。当某个应用进程调用close(主动端)后(可以是服务器端，也可以是客户端)，这一端的TCP发送一个FIN，表示数据发送完毕；另一端(被动端)发送一个确认，当被动端待处理的应用进程都处理完毕后，发送一个FIN到主动端，并关闭套接口，主动端接收到这个FIN后再发送一个确认，到此为止这个TCP连接被断开。

 

　　２、UDP套接口

 

UDP套接口是无连接的、不可靠的数据报协议；既然他不可靠为什么还要用呢？其一：当应用程序使用广播或多播是只能使用UDP协议；其二：由于他是无连接的，所以速度快。因为UDP套接口是无连接的，如果一方的数据报丢失，那另一方将无限等待，解决办法是设置一个超时。

 

　　在编写UDP套接口程序时，有几点要注意：建立套接口时socket函数的第二个参数应该是SOCK_DGRAM，说明是建立一个UDP套接口；由于UDP是无连接的，所以服务器端并不需要listen或accept函数；当UDP套接口调用connect函数时，内核只记录连接放的IP地址和端口，并立即返回给调用进程，正因为这个特性，UDP服务器程序中并不使用fock函数，用单进程就能完成所有客户的请求。

网络编程中设计并发服务器，使用多进程与多线程，请问有什么区别？
答案一:
1，进程：子进程是父进程的复制品。子进程获得父进程数据空间、堆和栈的复制品。
2，线程：相对与进程而言，线程是一个更加接近与执行体的概念，它可以与同进程的其他线程共享数据，但拥有自己的栈空间，拥有独立的执行序列。
两者都可以提高程序的并发度，提高程序运行效率和响应时间。
线程和进程在使用上各有优缺点：线程执行开销小，但不利于资源管理和保护；而进程正相反。同时，线程适合于在SMP机器上运行，而进程则可以跨机器迁移。

答案二:
根本区别就一点：用多进程每个进程有自己的地址空间(address space)，线程则共享地址空间。所有其它区别都是由此而来的：
1。速度：线程产生的速度快，线程间的通讯快、切换快等，因为他们在同一个地址空间内。
2。资源利用率：线程的资源利用率比较好也是因为他们在同一个地址空间内。
3。同步问题：线程使用公共变量/内存时需要使用同步机制还是因为他们在同一个地址空间内。