Linux 系统应用编程——网络编程（高级篇）

一、网络超时检测

        在网络通信过程中，经常会出现不可预知的各种情况。例如网络线路突发故障、通信一方异常结束等。一旦出现上述情况，很可能长时间都不会收到数据，而且无法判断是没有数据还是数据无法到达。如果使用的是TCP协议，可以检测出来；但如果使用UDP协议的话，需要在程序中进行相关检测。所以，为避免进程在没有数据时无限制的阻塞，使用网络超时检测很有必要。

1、套接字接收超时检测

        这里先介绍设置套接字选项的函数 setsockopt() 函数：

所需头文件#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>函数原型int setsockopt (int sockfd, int level, int optname,
                              const void *optval, socklen_t optlen );函数参数sockfd：套接字描述符
level：选项所属协议层
optval：保存选项值的缓冲区
optlen：选项值的长度函数返回值成功：0
出错：-1，并设置 errno

下面是套接字常用选项及其说明：

LEVEL：SOL_SOCKET

选项名称说明数据类型SO_BROADCAST允许发送广播数据intSO_DEBUG允许调试intSO_DONTRUOTE不查找路由intSO_ERROR获得套接字错误intSO_KEEPALIVE保持连接intSO_LINGER延迟关闭连接struct lingerSO_OOBINLINE带外数据放入正常数据流intSO_RCVBUF接收缓冲区大小intSO_SNDBUF发送缓冲区大小intSO_RCVTIMEO接收超时struct timevalSO_SNDTIMEO发送超时struct timevalSO_REUSERADDR允许重用本地地址和端口intSO_TYPE获得套接字类型int
下面利用SO_RCVTIMEO的选项实现套接字的接收超时检测：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#define N 64#define PORT 8888int main(){int sockfd;char buf[N];struct sockaddr_in seraddr;struct timeval t = {6, 0};if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1){perror("socket error");exit(-1);}else{printf("socket successfully!\n");printf("sockfd:%d\n",sockfd);}memset(&seraddr, 0, sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(PORT);seraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)) == -1){perror("bind error");exit(-1);}else{printf("bind successfully!\n");printf("PORT:%d\n",PORT);}if(setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &t, sizeof(t)) < 0){perror("setsockopt error");exit(-1);}if(recvfrom(sockfd, buf, N, 0, NULL, NULL) < 0){perror("fail to recvfrom");exit(-1);}else{printf("recv data: %s\n",buf);}return 0;}

执行结果如下：

fs@ubuntu:~/qiang/socket/time$ ./setsockopt socket successfully!sockfd:3bind successfully!PORT:8888fail to recvfrom: Resource temporarily unavailablefs@ubuntu:~/qiang/socket/time$ 

可以看到，6s之内没有数据包到来，程序会从 recvfrom 函数返回，进行相应的错误处理。

注意：套接字一旦设置了超时之后，每一次发送或接收时都会检测，如果要取消超时检测，重新用setsockopt函数设置即可（把时间值指定为 0）。

2、定时器超时检测

       这里利用定时器信号SIGALARM，可以在程序中创建一个闹钟。当到达目标时间后，指定的信号处理函数被执行。这样同样可以利用SIGALARM信号实现检测，下面分别介绍相关数据类型和函数。

struct sigaction 是 Linux 中用来描述信号行为的结构体类型，其定义如下：

struct sigaction{void (*sa_handler) (int);void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);sigset_t sa_mask;int sa_flags;void (*sa_restorer) (void);}

①  sa_handler：此参数和signal()的参数handler相同，此参数主要用来对信号旧的安装函数signal()处理形式的支持；
②  sa_sigaction：新的信号安装机制，处理函数被调用的时候，不但可以得到信号编号，而且可以获悉被调用的原因以及产生问题的上下文的相关信息。
③  sa_mask：用来设置在处理该信号时暂时将sa_mask指定的信号搁置；
④  sa_restorer： 此参数没有使用；
⑤  sa_flags：用来设置信号处理的其他相关操作，下列的数值可用。可用OR 运算（|）组合：
                      ŸA_NOCLDSTOP:如果参数signum为SIGCHLD，则当子进程暂停时并不会通知父进程
                      SA_ONESHOT/SA_RESETHAND:当调用新的信号处理函数前，将此信号处理方式改为系统预设的方式
                      SA_RESTART:被信号中断的系统调用会自行重启
                      SA_NOMASK/SA_NODEFER:在处理此信号未结束前不理会此信号的再次到来
                      SA_SIGINFO：信号处理函数是带有三个参数的sa_sigaction。

所需头文件#include <signal.h>函数原型int sigaction(int signum,  const struct sigaction *act ,
                                                       struct sigaction *oldact );函数传入值signum：可以指定SIGKILL和SIGSTOP以外的所有信号
act        ：act 是一个结构体，里面包含信号处理函数的地址、
                  处理方式等信息；
oldact  ：参数oldact 是一个传出参数，sigaction 函数调用成功后，
                  oldact 里面包含以前对 signum 信号的处理方式的信息；函数返回值成功：0
出错：-1
使用定时器信号检测超时的示例代码如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <signal.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#define N 64#define PORT 8888void handler(int signo){printf("interrupted by SIGALRM\n");}int main(){int sockfd;char buf[N];struct sockaddr_in seraddr;struct sigaction act;if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1){perror("socket error");exit(-1);}else{printf("socket successfully!\n");printf("sockfd:%d\n",sockfd);}memset(&seraddr, 0, sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(PORT);seraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)) == -1){perror("bind error");exit(-1);}else{printf("bind successfully!\n");printf("PORT:%d\n",PORT);}sigaction(SIGALRM, NULL, &act);act.sa_handler = handler;act.sa_flags &= ~SA_RESTART;sigaction(SIGALRM, &act, NULL);alarm(6);if(recvfrom(sockfd, buf, N, 0, NULL, NULL) < 0){perror("fail to recvfrom");exit(-1);}printf("recv data: %s\n",buf);alarm(0);return 0;}

执行结果如下：

fs@ubuntu:~/qiang/socket/time$ ./alarm socket successfully!sockfd:3bind successfully!PORT:8888interrupted by SIGALRMfail to recvfrom: Interrupted system callfs@ubuntu:~/qiang/socket/time$ 

二、广播

        前面的网络通信中，采用的都是单播（唯一的发送方和接收方）的方式。很多时候，需要把数据同时发送给局域网中的所有主机。例如，通过广播ARP包获取目标主机的MAC地址。

1、广播地址

       IP地址用来标识网络中的一台主机。IPv4 协议用一个 32 位的无符号数表示网络地址，包括网络号和主机号。子网掩码表示 IP 地址中网络和占几个字节。对于一个 Ｃ类地址来说，子网掩码为　255.255.255.0。

        每个网段都有其对应的广播地址。以 C 类地址网段 192.168.1.x为例，其中最小的地址 192.168.1.0 代表该网段；而最大的地址192.168.1.255 则是该网段中的广播地址。当我们向这个地址发送数据包时，该网段中所以的主机都会接收并处理。

       注意：发送广播包时，目标IP 为广播地址而目标 MAC 是 ff:ff:ff:ff:ff。

2、广播包的发送和接收

广播包的发送和接收通过UDP套接字实现。

1）广播包发送流程如下：

创建udp 套接字

指定目标地址和端口

设置套接字选项允许发送广播包

发送数据包

发送广播包的示例如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#define N 64#define PORT 8888int main(){int sockfd;int on = 1;char buf[N] = "This is a broadcast package!";struct sockaddr_in dstaddr;if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1){perror("socket error");exit(-1);}else{printf("socket successfully!\n");printf("sockfd:%d\n",sockfd);}memset(&dstaddr, 0, sizeof(dstaddr));dstaddr.sin_family = AF_INET;dstaddr.sin_port = htons(PORT);dstaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.255"); // 192.168.1.x 网段的广播地址if(setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &on, sizeof(on)) < 0) //套接字默认不允许发送广播包，通过修改 SO_BROADCAST 选项使能{perror("setsockopt error");exit(-1);}while(1){sendto(sockfd, buf, N, 0,(struct sockaddr *)&dstaddr, sizeof(dstaddr));sleep(1);}return 0;}

2）、广播包接收流程

广播包接收流程如下：

创建ＵＤＰ套接字

绑定地址

接收数据包

接收包示例如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#define N 64#define PORT 8888int main(){int sockfd;char buf[N];struct sockaddr_in seraddr;socklen_t peerlen = sizeof(seraddr);if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1){perror("socket error");exit(-1);}else{printf("socket successfully!\n");printf("sockfd:%d\n",sockfd);}memset(&seraddr, 0, sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(PORT);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.255"); //接收方绑定广播地址if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)) == -1){perror("bind error");exit(-1);}else{printf("bind successfully!\n");printf("PORT:%d\n",PORT);}while(1){if(recvfrom(sockfd, buf, N, 0, (struct sockaddr *)&seraddr, &peerlen) < 0){perror("fail to recvfrom");exit(-1);}else{printf("[%s:%d]",inet_ntoa(seraddr.sin_addr),ntohs(seraddr.sin_port));printf("%s\n",buf);}}return 0;}

执行结果如下

fs@ubuntu:~/qiang/socket/guangbo$ ./guangbore socket successfully!sockfd:3bind successfully!PORT:8888[127.0.0.1:56195]This is a broadcast package![127.0.0.1:56195]This is a broadcast package![127.0.0.1:56195]This is a broadcast package![127.0.0.1:56195]This is a broadcast package![127.0.0.1:56195]This is a broadcast package![127.0.0.1:56195]This is a broadcast package![127.0.0.1:56195]This is a broadcast package![127.0.0.1:56195]This is a broadcast package![127.0.0.1:56195]This is a broadcast package![127.0.0.1:56195]This is a broadcast package![127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!．．．

3、组播

      通过广播可以很方便地实现发送数据包给局域网中的所有主机。但广播同样存在一些问题，例如，频繁地发送广播包造成所以主机数据链路层都会接收并交给上层 协议处理，也容易引起局域网的网络风暴。

      下面介绍一种数据包发送方式成为组播或多播。组播可以看成是单播和广播的这种。当发送组播数据包时，至于加入指定多播组的主机数据链路层才会处理，其他主机在数据链路层会直接丢掉收到的数据包。换句话说，我们可以通过组播的方式和指定的若干主机通信。

1、组播地址

IPv4 地址分为以下5类。

A类地址：最高位为0，主机号占24位，地址范围从 1.0.0.1到 126.255.255.254。

B类地址：最高两位为10，主机号占16位，地址范围从 128.0.0.1 到 191.254.255.254。

C类地址：最高3位为110，主机号占8位，地址范围从 192.0.1.1 到 223.255.254.254。

D类地址：最高4位为1110，地址范围从192.0.1.1到 223.255.254.254。

E类地址保留。

其中D类地址呗成为组播地址。每一个组播地址代表一个多播组。

2、组播包的发送和接收

组播包的发送和接收也通过UDP套接字实现。

1））组播发送流程如下：

创建ＵＤＰ套接字

指定目标地址和端口

发送数据包

程序中，紧接着bind有一个setsockopt操作，它的作用是将socket加入一个组播组，因为socket要接收组播地址224.0.0.1的数据，它就必须加入该组播组。

结构体struct ip_mreq mreq是该操作的参数，下面是其定义：

struct ip_mreq{struct in_addr imr_multiaddr;   // 组播组的IP地址。struct in_addr imr_interface;   // 本地某一网络设备接口的IP地址。};

一台主机上可能有多块网卡，接入多个不同的子网，imr_interface参数就是指定一个特定的设备接口，告诉协议栈只想在这个设备所在的子网中加入某个组播组。有了这两个参数，协议栈就能知道：在哪个网络设备接口上加入哪个组播组。

发送组播包的示例代码如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#define N 64#define PORT 8888int main(){int sockfd;char buf[N] = "This is a multicast package!";struct sockaddr_in dstaddr;if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1){perror("socket error");exit(-1);}else{printf("socket successfully!\n");printf("sockfd:%d\n",sockfd);}memset(&dstaddr, 0, sizeof(dstaddr));dstaddr.sin_family = AF_INET;dstaddr.sin_port = htons(PORT);dstaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("224.10.10.1"); //绑定组播地址while(1){sendto(sockfd, buf, N, 0,(struct sockaddr *)&dstaddr, sizeof(dstaddr));sleep(1);}return 0;}

2)组播包接收流程

组播包接收流程如下

创建UDP套接字

加入多播组

绑定地址和端口

接收数据包

组播包接收流程如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#define N 64#define PORT 8888int main(){int sockfd;char buf[N];struct ip_mreq mreq;struct sockaddr_in seraddr,myaddr;socklen_t peerlen = sizeof(seraddr);if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1){perror("socket error");exit(-1);}else{printf("socket successfully!\n");printf("sockfd:%d\n",sockfd);}memset(&mreq, 0, sizeof(mreq));mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("224.10.10.1"); //加入多播组,允许数据链路层处理指定组播包mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);if(setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0){perror("fail to setsockopt");exit(-1);}memset(&seraddr, 0, sizeof(myaddr));//为套接字绑定组播地址和端口myaddr.sin_family = AF_INET;myaddr.sin_port = htons(PORT);myaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("224.10.10.1");if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&myaddr, sizeof(myaddr)) == -1){perror("bind error");exit(-1);}else{printf("bind successfully!\n");printf("PORT:%d\n",PORT);}while(1){if(recvfrom(sockfd, buf, N, 0, (struct sockaddr *)&seraddr, &peerlen) < 0){perror("fail to recvfrom");exit(-1);}else{printf("[%s:%d]",inet_ntoa(seraddr.sin_addr),ntohs(seraddr.sin_port));printf("%s\n",buf);}}return 0;}

执行结果如下：

fs@ubuntu:~/qiang/socket/zubo$ ./zubore socket successfully!sockfd:3bind successfully!PORT:8888[192.168.1.2:53259]This is a multicast package![192.168.1.2:53259]This is a multicast package![192.168.1.2:53259]This is a multicast package![192.168.1.2:53259]This is a multicast package![192.168.1.2:53259]This is a multicast package![192.168.1.2:53259]This is a multicast package![192.168.1.2:53259]This is a multicast package![192.168.1.2:53259]This is a multicast package![192.168.1.2:53259]This is a multicast package!....