socket编程
socket编程
socket这个词可以表示很多概念:
在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程，“IP 地址+端口号”就称为socket。
在TCP协议中，建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成 的socket pair就唯一标识一个连接。socket本身有“插座”的意思，因此用来描述网络连 接的一对一关系。
TCP/IP协议最早在BSD UNIX上实现，为TCP/IP协议设计的应用层编程接口称为socket
API。
本章的主要内容是socket API，主要介绍TCP协议的函数接口，最后介绍UDP协议和UNIX
Domain Socket的函数接口。
11.1 预备知识
11.1.1 网络字节序
我们已经知道，内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分，磁盘文件中的
多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端小端之分。网络数据流同样有大端小端之分，
那么如何定义网络数据流的地址呢?发送主机通常将发送缓冲区中的数据按内存地址从低到
高的顺序发出，接收主机把从网络上接到的字节依次保存在接收缓冲区中，也是按内存地址
从低到高的顺序保存，因此，网络数据流的地址应这样规定:先发出的数据是低地址，后发
118 第11章 socket编程
出的数据是高地址。 TCP/IP协议规定，网络数据流应采用大端字节序，即低地址高字节。例如上一节的UDP
段格式，地址0-1是16位的源端口号，如果这个端口号是1000(0x3e8)，则地址0是0x03， 地址1是0xe8，也就是先发0x03，再发0xe8，这16位在发送主机的缓冲区中也应该是低地址 存0x03，高地址存0xe8。但是，如果发送主机是小端字节序的，这16位被解释成0xe803，而 不是1000。因此，发送主机把1000填到发送缓冲区之前需要做字节序的转换。同样地，接收 主机如果是小端字节序的，接到16位的源端口号也要做字节序的转换。如果主机是大端字节 序的，发送和接收都不需要做转换。同理，32位的IP地址也要考虑网络字节序和主机字节序 的问题。
为使网络程序具有可移植性，使同样的C代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运 行，可以调用以下库函数做网络字节序和主机字节序的转换。
#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
h表示host，n表示network，l表示32位长整数，s表示16位短整数。
如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回，如果主机是大端字节序，这些函数不做转 换，将参数原封不动地返回。
11.1.2 IP地址转换函数
早期
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp); in_addr_t inet_addr(const char *cp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);
只能处理IPv4的ip地址 不可重入函数 注意参数是struct in_addr
现在
#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
支持IPv4和IPv6 可重入函数
其中inet_pton和inet_ntop不仅可以转换IPv4的in_addr，还可以转换IPv6的in6_addr，
因此函数接口是void *addrptr。
11.1.3 sockaddr数据结构
strcut sockaddr 很多网络编程函数诞生早于IPv4协议，那时候都使用的是sockaddr结 构体,为了向前兼容，现在sockaddr退化成了(void *)的作用，传递一个地址给函数，至 于这个函数是sockaddr_in还是sockaddr_in6，由地址族确定，然后函数内部再强制类型转 化为所需的地址类型
图 11.1: sockaddr数据结构
Pv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in结构体表示，包 括16位端口号和32位IP地址，IPv6地址用sockaddr_in6结构体表示，包括16位端口号、128 位IP地址和一些控制字段。UNIX Domain Socket的地址格式定义在sys/un.h中，用sock- addr_un结构体表示。各种socket地址结构体的开头都是相同的，前16位表示整个结构 体的长度(并不是所有UNIX的实现都有长度字段，如Linux就没有)，后16位表示地址类 型。IPv4、IPv6和Unix Domain Socket的地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX。 这样，只要取得某种sockaddr结构体的首地址，不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构 体，就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容。因此，socket API可以接受各种类型的 sockaddr结构体指针做参数，例如bind、accept、connect等函数，这些函数的参数应该设 计成void *类型以便接受各种类型的指针，但是sock API的实现早于ANSI C标准化，那时还 没有void *类型，因此这些函数的参数都用struct sockaddr *类型表示，在传递参数之前 要强制类型转换一下，例如:
struct sockaddr_in servaddr;
/* initialize servaddr */
bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
11.2 网络套接字函数
图 11.2: socketAPI
11.2.1 socket
#include <sys/types.h> / * See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain:
AF_INET 这是大多数用来产生socket的协议，使用TCP或UDP来传输，用IPv4的地址
AF_INET6 与上面类似，不过是来用IPv6的地址
AF_UNIX 本地协议，使用在Unix和Linux系统上，一般都是当客户端和服务器在同一台及其上的时候使用
type:
SOCK_STREAM 这个协议是按照顺序的、可靠的、数据完整的基于字节流的连接。这是一个使用最多的socket类
型，这个socket是使用TCP来进行传输。
SOCK_DGRAM 这个协议是无连接的、固定长度的传输调用。该协议是不可靠的，使用UDP来进行它的连接。 SOCK_SEQPACKET 这个协议是双线路的、可靠的连接，发送固定长度的数据包进行传输。必须把这个包完整的
接受才能进行读取。
SOCK_RAW 这个socket类型提供单一的网络访问，这个socket类型使用ICMP公共协议。(ping、traceroute使
用该协议)
SOCK_RDM 这个类型是很少使用的，在大部分的操作系统上没有实现，它是提供给数据链路层使用，不保证数
据包的顺序 protocol:
0 默认协议 返回值:
成功返回一个新的文件描述符，失败返回-1，设置errno
socket()打开一个网络通讯端口，如果成功的话，就像open()一样返回一个文件描 述符，应用程序可以像读写文件一样用read/write在网络上收发数据，如果socket()调 用出错则返回-1。对于IPv4，domain参数指定为AF_INET。对于TCP协议，type参数指定为 SOCK_STREAM，表示面向流的传输协议。如果是UDP协议，则type参数指定为SOCK_DGRAM，表示面向数据报的传输协议。protocol参数的介绍从略，指定为0即可。
11.2.2 bind
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sockfd: socket文件描述符
addr: 构造出IP地址加端口号
addrlen: sizeof(addr)长度
返回值:
成功返回0，失败返回-1, 设置errno
服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的，客户端程序得知服务器程序 的地址和端口号后就可以向服务器发起连接，因此服务器需要调用bind绑定一个固定的网络 地址和端口号。
bind()的作用是将参数sockfd和addr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件 描述符监听addr所描述的地址和端口号。前面讲过，struct sockaddr *是一个通用指针类 型，addr参数实际上可以接受多种协议的sockaddr结构体，而它们的长度各不相同，所以需 要第三个参数addrlen指定结构体的长度。如:
struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(8000);
首先将整个结构体清零，然后设置地址类型为AF_INET，网络地址为INADDR_ANY，这个 宏表示本地的任意IP地址，因为服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能绑定多个IP地址， 这样设置可以在所有的IP地址上监听，直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪 个IP地址，端口号为8000。
11.2.3 listen
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
sockfd:
socket文件描述符
backlog:
排队建立3次握手队列和刚刚建立3次握手队列的链接数和
查看系统默认backlog
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog
典型的服务器程序可以同时服务于多个客户端，当有客户端发起连接时，服务器调用的 accept()返回并接受这个连接，如果有大量的客户端发起连接而服务器来不及处理，尚未 accept的客户端就处于连接等待状态，listen()声明sockfd处于监听状态，并且最多允许有 backlog个客户端处于连接待状态，如果接收到更多的连接请求就忽略。listen()成功返回 0，失败返回-1。
11.2.4 accept
11.2节 网络套接字函数 123
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
sockdf:
socket文件描述符
addr:
传出参数，返回链接客户端地址信息，含IP地址和端口号
addrlen:
传入传出参数(值-结果),传入sizeof(addr)大小，函数返回时返回真正接收到地址结构体的大小
返回值:
成功返回一个新的socket文件描述符，用于和客户端通信，失败返回-1，设置errno
三方握手完成后，服务器调用accept()接受连接，如果服务器调用accept()时还没有 客户端的连接请求，就阻塞等待直到有客户端连接上来。addr是一个传出参数，accept() 返回时传出客户端的地址和端口号。addrlen参数是一个传入传出参数(value-result argument)，传入的是调用者提供的缓冲区addr的长度以避免缓冲区溢出问题，传出的是客 户端地址结构体的实际长度(有可能没有占满调用者提供的缓冲区)。如果给addr参数传 NULL，表示不关心客户端的地址。
我们的服务器程序结构是这样的:
while (1) {
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
n = read(connfd, buf, MAXLINE);
......
close(connfd);
}
整个是一个while死循环，每次循环处理一个客户端连接。由于cliaddr_len是传入传出 参数，每次调用accept()之前应该重新赋初值。accept()的参数listenfd是先前的监听文件
124 第11章 socket编程
描述符，而accept()的返回值是另外一个文件描述符connfd，之后与客户端之间就通过这个 connfd通讯，最后关闭connfd断开连接，而不关闭listenfd，再次回到循环开头listenfd仍 然用作accept的参数。accept()成功返回一个文件描述符，出错返回-1。
11.2.5 connect
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sockdf:
socket文件描述符
addr:
传入参数，指定服务器端地址信息，含IP地址和端口号
addrlen:
传入参数,传入sizeof(addr)大小
返回值:
成功返回0，失败返回-1，设置errno
客户端需要调用connect()连接服务器，connect和bind的参数形式一致，区别在于 bind的参数是自己的地址，而connect的参数是对方的地址。connect()成功返回0，出错返 回-1。
11.3 C/S模型-TCP
下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程:
图 11.3: TCP协议通讯流程
服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后，调用accept()阻塞等待，处于 监听端口的状态，客户端调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并阻塞等待服 务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK 段，服务器收到后从accept()返回。
数据传输的过程:
建立连接后，TCP协议提供全双工的通信服务，但是一般的客户端/服务器程序的流程是 由客户端主动发起请求，服务器被动处理请求，一问一答的方式。因此，服务器从accept() 返回后立刻调用read()，读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待，这时客 户端调用write()发送请求给服务器，服务器收到后从read()返回，对客户端的请求进行处 理，在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答，服务器调用write()将处理结果发 回给客户端，再次调用read()阻塞等待下一条请求，客户端收到后从read()返回，发送下一 条请求，如此循环下去。
如果客户端没有更多的请求了，就调用close()关闭连接，就像写端关闭的管道一样， 服务器的read()返回0，这样服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close()关闭连接。注 意，任何一方调用close()后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。如果一方 调用shutdown()则连接处于半关闭状态，仍可接收对方发来的数据。
在学习socket API时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的: *应用程序调用某个 socket函数时TCP协议层完成什么动作，比如调用connect()会发出SYN段 *应用程序如何知 道TCP协议层的状态变化，比如从某个阻塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段， 再比如read()返回0就表明收到了FIN段
11.3.1 server
下面通过最简单的客户端/服务器程序的实例来学习socket API。
server.c的作用是从客户端读字符，然后将每个字符转换为大写并回送给客户端。
/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000
int main(void) {
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
socklen_t cliaddr_len;
int listenfd, connfd;
char buf[MAXLINE];
char str[INET_ADDRSTRLEN];
int i, n;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
listen(listenfd, 20);
printf("Accepting connections ...\n");
while (1) {
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
n = read(connfd, buf, MAXLINE);
printf("received from %s at PORT %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
ntohs(cliaddr.sin_port));
for (i = 0; i < n; i++)
buf[i] = toupper(buf[i]);
write(connfd, buf, n);
close(connfd);
}
}
11.3.2 client
client.c的作用是从命令行参数中获得一个字符串发给服务器，然后接收服务器返回的 字符串并打印。
/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#define MAXLINE 80 #define SERV_PORT 8000
int main(int argc, char *argv[]) {
struct sockaddr_in servaddr;
char buf[MAXLINE];
int sockfd, n;
char *str;
if (argc != 2) {
fputs("usage: ./client message\n", stderr);
exit(1);
}
str = argv[1];
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
write(sockfd, str, strlen(str));
n = read(sockfd, buf, MAXLINE); printf("Response from server:\n");
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
close(sockfd);
return 0;
}
由于客户端不需要固定的端口号，因此不必调用bind()，客户端的端口号由内核自动分 配。注意，客户端不是不允许调用bind()，只是没有必要调用bind()固定一个端口号，服务 器也不是必须调用bind()，但如果服务器不调用bind()，内核会自动给服务器分配监听端 口，每次启动服务器时端口号都不一样，客户端要连接服务器就会遇到麻烦。
客户端和服务器启动后可以查看链接情况:
netstat -apn|grep 8000
11.4 C/S模型-UDP
图 11.4: UDP处理模型
由于UDP不需要维护连接，程序逻辑简单了很多，但是UDP协议是不可靠的，实际上有很 多保证通讯可靠性的机制需要在应用层实现。
编译运行server，在两个终端里各开一个client与server交互，看看server是否具有并 发服务的能力。用Ctrl+C关闭server，然后再运行server，看此时client还能否和server联 系上。和前面TCP程序的运行结果相比较，体会无连接的含义。
11.4.1 server
/* udp server.c */
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000
int main(void){
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
socklen_t cliaddr_len;
int sockfd;
char buf[MAXLINE];
char str[INET_ADDRSTRLEN];
int i, n;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
printf("Accepting connections ...\n");
while (1) {
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
n = recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE,0, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
if (n == -1)
perror("recvfrom error");
printf("received from %s at PORT %d\n", inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(cliaddr.sin_port));
for (i = 0; i < n; i++)
buf[i] = toupper(buf[i]);
n = sendto(sockfd, buf, n, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
if (n == -1)
perror("sendto error");
}
close(sockfd);
return 0;
}
11.4.2 client
/* udp client.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <ctype.h>
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000
int main(int argc, char *argv[]) {
struct sockaddr_in servaddr;
int sockfd, n;
char buf[MAXLINE];
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
n = sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
if (n == -1)
perror("sendto error");
n = recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE, 0, NULL, 0);
if (n == -1)
perror("recvfrom error");
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
}
close(sockfd);
return 0;
}
11.5 出错处理封装函数
上面的例子不仅功能简单，而且简单到几乎没有什么错误处理，我们知道，系统调用不
能保证每次都成功，必须进行出错处理，这样一方面可以保证程序逻辑正常，另一方面可以
迅速得到故障信息。
为使错误处理的代码不影响主程序的可读性，我们把与socket相关的一些系统函数加上 错误处理代码包装成新的函数，做成一个模块wrap.c:
11.5.1 wrap.c
/* wrap.c */
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
void perr_exit(const char *s) {
perror(s);
exit(1); }
int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr) {
int n;
again:
if ( (n = accept(fd, sa, salenptr)) < 0) {
if ((errno == ECONNABORTED) || (errno == EINTR))
goto again;
else
perr_exit("accept error");
}
return n;
}
void Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen) {
if (bind(fd, sa, salen) < 0) perr_exit("bind error");
}
void Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen) {
if (connect(fd, sa, salen) < 0) perr_exit("connect error");
}
void Listen(int fd, int backlog) {
if (listen(fd, backlog) < 0) perr_exit("listen error");
}
int Socket(int family, int type, int protocol) {
int n;
if ( (n = socket(family, type, protocol)) < 0)
perr_exit("socket error");
return n;
}
ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes)
{
ssize_t n;
again:
if ( (n = read(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
if (errno == EINTR)
goto again;
else
return -1;
}
return n;
}
ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes) {
ssize_t n;
again:
if ( (n = write(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
if (errno == EINTR)
goto again;
else
return -1;
}
return n;
}
void Close(int fd) {
if (close(fd) == -1)
perr_exit("close error");
}
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n) {
size_t nleft;
ssize_t nread;
char *ptr;
ptr = vptr;
nleft = n;
while (nleft > 0) {
if ( (nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) { if (errno == EINTR)
nread = 0;
else
return -1;
}
else if (nread == 0)
break;
nleft -= nread;
ptr += nread; }
return n - nleft; }
ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n)
{
size_t nleft;
ssize_t nwritten;
const char *ptr;
ptr = vptr;
nleft = n;
while (nleft > 0) {
if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) {
if (nwritten < nwritten =
else
return -1;
}
nleft -= nwritten;
ptr += nwritten; }
return n; }
static ssize_t my_read(int {
0 && errno == EINTR) 0;
fd, char *ptr)
static int read_cnt; static char *read_ptr; static char read_buf[100];
if (read_cnt <= 0) { again:
if ( (read_cnt = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) < 0) { if (errno == EINTR)
goto again; return -1;
} else if (read_cnt == 0) return 0;
read_ptr = read_buf; }
read_cnt--;
*ptr = *read_ptr++; return 1;
}
ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen) {
ssize_t n, rc; char c, *ptr;
ptr = vptr;
for (n = 1; n < maxlen; n++) {
if ( (rc = my_read(fd, &c)) == 1) { *ptr++ = c;
if (c == '\n') break;
} else if (rc == 0) {
*ptr = 0;
return n - 1; } else
11.5.2 wrap.h
11.6节 练习 133
return -1;
}
*ptr = 0; return n;
}
/* wrap.h */ #ifndef __WRAP_H_ #define __WRAP_H_
void perr_exit(const char *s);
int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr); void Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen); void Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen); void Listen(int fd, int backlog);
int Socket(int family, int type, int protocol);
ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes);
ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes);
void Close(int fd);
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n);
ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n);
static ssize_t my_read(int fd, char *ptr);
ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen);
#endif