Unix环境下的Socket编程

  本文先对socket进行简单的介绍，然后详细讲解socket编程的步骤及每一步作用，最后通过一个实例实现客户端与服务器端的通信，代码经测试可用。

 

1、什么是 Socket？

    Socket接口是TCP/IP 网络的 API，Socket 接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发 TCP/IP 网络上的应用程序。要学 Internet 上的 TCP/IP 网络编程，必须理解 Socket 接口。

 Socket接口设计者最先是将接口放在 Unix 操作系统里面的。如果了解 Unix 系统的输入和输出的话，就很容易了解 Socket 了。网络的 Socket 数据传输是一种特殊的 I/O ， Socket 也是一种文件描述符 。 Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用 Socket() ，该函数返回一个整型的 Socket 描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该 Socket 实现的。常用的 Socket 类型有两种：

 流式 Socket（ SOCK_STREAM ）和数据报式 Socket （ SOCK_DGRAM ）。

 流式是一种面向连接的 Socket，针对于面向连接的 TCP 服务应用；

 数据报式 Socket是一种无连接的 Socket ，对应于无连接的 UDP 服务应用。

 

2、 Socket建立

 为了建立 Socket，程序可以调用 Socket 函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。

 socket函数原型为： int socket(int domain, int type, int protocol);

 domain指明所使用的协议族，通常为 AF_INET ，表示互联网协议族（ TCP/IP 协议族）； type 参数指定 socket 的类型： SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM ， Socket 接口还定义了原始 Socket （ SOCK_RAW ），允许程序使用低层协议；

 protocol通常赋值 "0" 。

 Socket()调用返回一个整型 socket 描述符，你可以在后面的调用使用它 。

　　Socket描述符是一个指向内部数据结构的指针 ，它指向描述符表入口。调用 Socket函数时，socket执行体将建立一个 Socket ，实际上 " 建立一个 Socket" 意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。Socket执行体为你管理描述符表。

　　两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。 Socket 数据结构中包含这五种信息。

 

3、 Socket配置

 通过 socket调用返回一个 socket 描述符后，在使用 socket 进行网络传输以前，必须配置该 socket.

 面向连接 的 socket客户端 通过调用 Connect函数在 socket 数据结构中保存本地和远端信息。(ps:这时候客户端这边不需要bind，服务器端需要bind)

 无连接socket的客户端和服务端以及面向连接 socket 的服务端通过调用bind函数来配置本地信息。Bind函数将 socket 与本机上的一个端口相关联，随后你就可以在该端口监听服务请求。

     Bind函数原型：

     int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

　　 Sockfd是调用 socket 函数返回的 socket 描述符 ,my_addr 是一个指向包含有本机 IP 地址及端口号等信息的 sockaddr 类型的指针； addrlen 常被设置为 sizeof(struct sockaddr) 。

　　 struct sockaddr结构类型是用来保存 socket 信息的：

　　 struct sockaddr {

　　                  unsigned short sa_family; /*地址族， AF_xxx */

  char sa_data[14]; /* 14字节的协议地址 */

    };

sa_family一般为 AF_INET ，代表 Internet （ TCP/IP ）地址族；sa_data则包含该 socket 的 IP 地址和端口号。

　　另外还有一种结构类型 ：

　　 struct sockaddr_in {

　　                  short int sin_family; /*地址族 */

　　                  unsigned short int sin_port; /*端口号 */

　　                  struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */

　　                  unsigned char sin_zero[8]; /*填充 0 以保持与struct sockaddr 同样大小 */

　　 };

　　 这个结构更方便使用。 sin_zero用来将 sockaddr_in 结构填充到与 struct sockaddr 同样的长度，可以用 bzero() 或 memset() 函数将其置为零。指向 sockaddr_in 的指针和指向 sockaddr 的指针可以相互转换，这意味着如果一个函数所需参数类型是 sockaddr 时，你可以在函数调用的时候将一个指向 sockaddr_in 的指针转换为指向 sockaddr 的指针；或者相反。

　　 使用 bind函数时，可以用下面的赋值实现自动获得本机 IP 地址和随机获取一个没有被占用的端口号：

　　my_addr.sin_port = 0; /* 系统随机选择一个未被使用的端口号 */

　　 my_addr.sin_addr.s_addr =INADDR_ANY; /* 填入本机IP地址 */

通过将 my_addr.sin_port置为0，函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用。

同样，通过将 my_addr.sin_addr.s_addr置为 INADDR_ANY ，系统会自动填入本机 IP 地址。注意在使用 bind 函数是需要将 sin_port 和 sin_addr 转换成为网络字节优先顺序 ；而 sin_addr则不需要转换。

　　 计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先。Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输 ，所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器，在 Internet上传输数据时就需要进行转换，否则就会出现数据不一致。

　　 下面是几个字节顺序转换函数：

·htonl()：把 32 位值从主机字节序转换成网络字节序

·htons()：把 16 位值从主机字节序转换成网络字节序

·ntohl()：把 32 位值从网络字节序转换成主机字节序

·ntohs()：把 16 位值从网络字节序转换成主机字节序

  Bind()函数在成功被调用时返回 0 ；出现错误时返回 "-1" 并将 errno 置为相应的错误号。

 

需要注意的是，在调用 bind函数时一般不要将端口号置为小于1024的值 ，因为1到1024是保留端口号 ，你可以选择大于 1024中的任何一个没有被占用的端口号。

 

4、连接建立

　　面向连接的客户程序使用 Connect函数来配置 socket 并与远端服务器建立一个 TCP 连接，其函数原型为：

　　int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);

Sockfd是 socket 函数返回的 socket 描述符；

serv_addr是包含远端主机 IP 地址和端口号的指针；

addrlen是远端地址结构的长度。

Connect函数在出现错误时返回 -1 ，并且设置 errno 为相应的错误码。

进行客户端程序设计无须调用bind()，因为这种情况下只需知道目的机器的IP 地址 ，而客户通过哪个端口与服务器建立连接并不需要关心， socket执行体为你的程序自动选择一个未被占用的端口，并通知你的程序数据什么时候到打断口。

　　Connect函数启动和远端主机的直接连接。只有面向连接的客户程序使用socket时才需要将此socket与远端主机相连 。无连接协议从不建立直接连接。面向连接的服务器也从不启动一个连接，它只是被动的在协议端口监听客户的请求。

　　Listen函数使 socket 处于被动的监听模式，并为该 socket 建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们。

　　int listen(int sockfd， int backlog);

Sockfd是 Socket 系统调用返回的 socket 描述符；

backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待 accept() 它们（参考下文）。 Backlog 对队列中等待服务的请求的数目进行了限制，大多数系统缺省值为 20 。如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该 socket 将拒绝连接请求，客户将收到一个出错信息。当出现错误时 listen函数返回 -1 ，并置相应的 errno 错误码。

　　accept()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用 accept 函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。

　　int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);

　　sockfd是被监听的 socket 描述符， addr 通常是一个指向 sockaddr_in 变量的指针，该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息（某台主机从某个端口发出该请求）； addrlen 通常为一个指向值为 sizeof(struct sockaddr_in) 的整型指针变量。出现错误时 accept 函数返回 -1 并置相应的 errno 值。

　　首先，当 accept函数监视的 socket 收到连接请求时， socket 执行体将建立一个新的 socket ，执行体将这个新 socket 和请求连接进程的地址联系起来，收到服务请求的初始 socket 仍可以继续在以前的 socket 上监听，同时可以在新的 socket 描述符上进行数据传输操作。

 

5、数据传输

    send()和recv()这两个函数用于面向连接 的 socket 上进行数据传输。

　　send()函数原型为：

　　int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);

Sockfd是你想用来传输数据的 socket 描述符；

msg是一个指向要发送数据的指针；

Len是以字节为单位的数据的长度；

flags一般情况下置为 0 （关于该参数的用法可参照 man 手册）。

　　Send()函数返回实际上发送出的字节数，可能会少于你希望发送的数据。在程序中应该将 send() 的返回值与欲发送的字节数进行比较。当 send() 返回值与 len 不匹配时，应该对这种情况进行处理。

char *msg = "Hello!";

int len, bytes_sent;

……

len = strlen(msg);

bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);

……

　　 recv()函数原型为：

　　 int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);

Sockfd是接受数据的 socket 描述符；

buf是存放接收数据的缓冲区；

len是缓冲的长度。

Flags也被置为 0 。

Recv()返回实际上接收的字节数，当出现错误时，返回 -1 并置相应的 errno 值。

 

     sendto()和recvfrom()用于在无连接的数据报 socket 方式下进行数据传输。由于本地 socket 并没有与远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。

sendto()函数原型为：

  int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,

const struct sockaddr *to, int tolen);

　　该函数比 send()函数多了两个参数， to 表示目地机的 IP 地址和端口号信息，而 tolen 常常被赋值为 sizeof (struct sockaddr) 。 sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回 -1 。

　　 recvfrom()函数原型为：

　　 int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);

  from是一个 struct sockaddr 类型的变量，该变量保存源机的 IP 地址及端口号。

  fromlen常置 sizeof (struct sockaddr) 。当 recvfrom() 返回时， fromlen 包含实际存入 from 中的数据字节数。Recvfrom()函数返回接收到的字节数或当出现错误时返回-1，并置相应的 errno 。

 

如果你对数据报socket调用了connect()函数时，你也可以利用send()和recv()进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并且利用传输层的UDP服务。但在发送或接收数据报时，内核会自动为之加上目地和源地址信息。

 

6、结束传输

　  当所有的数据操作结束以后，你可以调用 close()函数来释放该 socket ，从而停止在该 socket 上的任何数据操作： close(sockfd);

　　你也可以调用 shutdown()函数来关闭该 socket 。该函数允许你只停止 在某个方向上的数据传输，而一个方向上的数据传输继续进行。如你可以关闭某 socket的写操作而允许继续在该 socket 上接受数据，直至读入所有数据。

　　int shutdown(int sockfd,int how);

　　Sockfd是需要关闭的 socket 的描述符。参数 how 允许为 shutdown 操作选择以下几种方式：

　　 ·0-------不允许继续接收数据

　　 ·1-------不允许继续发送数据

  ·2-------不允许继续发送和接收数据，

  · 均为允许则调用 close ()

　　 shutdown在操作成功时返回 0 ，在出现错误时返回 -1 并置相应 errno 。

 

7、面向连接的 Socket实例

　　代码实例中的服务器通过 socket连接客户端。

 该服务器软件代码如下：

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

#include<string.h>

#include<sys/socket.h>

#include<arpa/inet.h>//inet_aton...

#include<unistd.h>

 

intnet_server_init (conststruct sockaddr_in *addr, intaddr_len);

 

intmain ()

{

  intsockfd;

  intaddr_len;

  structsockaddr_in server_addr;

  intport;

 

  port = 5003;

  addr_len =sizeof(structsockaddr_in);

  server_addr.sin_family = AF_INET;

  server_addr.sin_addr.s_addr= INADDR_ANY;//本机地址

  server_addr.sin_port=htons(port);

 

  //connect to client

  sockfd = net_server_init(&server_addr, addr_len);

  if(!(sockfd<0)){

      printf"connect OK!/n");

  }

  else{

     printf("connect error!/n");

  }

  close(sockfd);

  return0;

}

 

intnet_server_init (conststruct sockaddr_in *addr, intaddr_len)

{

  intsocket_fd;//socket descriptor

  intoptval;

 

  socket_fd =socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

  if(socket_fd == -1) {

      printf("Failed to init socket/n" );

  return-1;

}

  /*--Reuseip address and port.*/

  optval = 1;

  if(setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval,

       sizeof(optval)) < 0) {

   printf("Failed to set address reuse./n" );

}

  if(bind(socket_fd, (structsockaddr *)addr, addr_len) < 0) {

       printf("Failed to bind socket: %s/n" );

  return-1;

}

  if(listen(socket_fd, BACKLOG) < 0) {

       printf("Failed to listen socket: %s/n" );

  return-1;

}

 

  returnsocket_fd;

}

　　服务器的工作流程是这样的：首先调用 socket函数创建一个 Socket ，然后调用 bind 函数将其与本机地址以及一个本地端口号绑定，然后调用 listen 在相应的 socket 上监听，当 accpet 接收到一个连接服务请求时，将生成一个新的socket 。  

 

客户端程序代码如下：

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

#include<string.h>//memcpy()..memset()..strlen()...

#include<sys/socket.h>

#include<arpa/inet.h>//inet_aton...

#include<unistd.h> //close()

 

intnet_client_init(constchar*ip,intport);

 

intmain ()

{

  intsockfd;

 

  //connect to server

  sockfd = net_client_init("192.168.1.96", 5003);

  if(!(sockfd<0)){

      printf("connect OK!/n");

  }

  else{

      printf("connect error!/n");

  }

  close(sockfd);

  return 0;

}

 

intnet_client_ init (constchar *ip, intport)

{

  intsocket_fd;

  intaddr_len;

  structsockaddr_in *client_addr;

 

  client_addr=(structsockaddr_in *)malloc(sizeof(struct sockaddr_in));

  memset(client_addr, 0,sizeof(structsockaddr_in));

  addr_len =sizeof(structsockaddr_in);

  client_addr->sin_family =AF_INET;

 

  //convert stringip to 32 bit net serial ip

  if(inet_aton(ip, &client_addr->sin_addr) == 0){

       printf("failed to convertip address form./n" );

  return-1;

   }

   client_addr->sin_port = htons(port);//2 byte host to net

 

   socket_fd =socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

   if(socket_fd == -1) {

       printf("Failed toinit socket/n" );

   return-1;

   }

 

   if(connect(socket_fd, (conststruct sockaddr *)client_addr, addr_len) < 0){

       printf("Failed to connect/n" );

   return-1;

    }

 

   free(client_addr);

   client_addr = NULL;

 

   returnsocket_fd;

}

在客户端和服务器端分别用gcc编译，然后先运行服务器端可执行程序，这时候服务器端处于监听状态，然后在运行客户端可执行程序，连接服务器。连接成功则分别输出“connect ok！”。