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socket与tcp/ip编程

简介: 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。
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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。 

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PF_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。 

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。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函数原型为: 
  
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。 

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是远端地质结构的长度。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);addrten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。 

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常置为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。 

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。 

面向连接的Socket实例 
  代码实例中的服务器通过socket连接向客户端发送字符串"Hello, you are connected!"。只要在服务器上运行该服务器软件,在客户端运行客户软件,客户端就会收到该字符串。 
服务器软件代码如下: 

#i nclude stdio.h> 
#i nclude 
stdlib.h>
 
#i nclude 
errno.h>
 
#i nclude 
string.h>
 
#i nclude 
sys/types.h>
 
#i nclude 
netinet/in.h>
 
#i nclude 
sys/socket.h>
 
#i nclude 
sys/wait.h>
 
#define SERVPORT 3333 /*服务器监听端口号 */ 

#define BACKLOG 10 /* 最大同时连接请求数 */ 
main() 
...
int sockfd,client_fd; /**//*sock_fd:监听socket;client_fd:数据传输socket */
 
 
struct sockaddr_in my_addr; /**//* 本机地址信息 */
 
 
struct sockaddr_in remote_addr; /**//* 客户端地址信息 */
 
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1...

  perror(
"socket创建出错!"); exit(1
); 
}
 
my_addr.sin_family
=
AF_INET; 
 my_addr.sin_port
=
htons(SERVPORT); 
 my_addr.sin_addr.s_addr 
=
 INADDR_ANY; 
bzero(
&(my_addr.sin_zero),8
); 
 
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct
 sockaddr))  
   
== -1...

perror(
"bind出错!"
); 
exit(
1
); 
}
 
 
if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1...

perror(
"listen出错!"
); 
exit(
1
); 
}
 
while(1...

  sin_size 
= sizeof(struct
 sockaddr_in); 
  
if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&
remote_addr,  
  
&sin_size)) == -1...

        perror(
"accept出错"
); 
        
continue

    }
 
  printf(
"received a connection from %s "
, inet_ntoa(remote_addr.sin_addr)); 
  
if (!fork()) ...
/**//* 子进程代码段 */ 
   
if (send(client_fd, "Hello, you are connected! "260== -1

   perror(
"send出错!"
); 
close(client_fd); 
exit(
0
); 
}
 
  close(client_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。服务器显示该客户机的IP地址,并通过新的socket向客户端发送字符串"Hello,you are connected!"。最后关闭该socket。 
  代码实例中的fork()函数生成一个子进程来处理数据传输部分,fork()语句对于子进程返回的值为0。所以包含fork函数的if语句是子进程代码部分,它与if语句后面的父进程代码部分是并发执行的。 


客户端程序代码如下: 

#i ncludestdio.h> 
#i nclude 
stdlib.h>
 
#i nclude 
errno.h>
 
#i nclude 
string.h>
 
#i nclude 
netdb.h>
 
#i nclude 
sys/types.h>
 
#i nclude 
netinet/in.h>
 
#i nclude 
sys/socket.h>
 
#define SERVPORT 3333 

#define MAXDATASIZE 100 /*每次最大数据传输量 */ 
main(
int argc, char *argv[])...
 
int
 sockfd, recvbytes; 
 
char
 buf[MAXDATASIZE]; 
 
struct hostent *
host; 
 
struct
 sockaddr_in serv_addr; 
 
if (argc  2...

fprintf(stderr,
"Please enter the server's hostname! "
); 
exit(
1
); 
}
 
 
if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) ...

herror(
"gethostbyname出错!"
); 
exit(
1
); 
}
 
 
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)...

perror(
"socket创建出错!"
); 
exit(
1
); 
}
 
 serv_addr.sin_family
=
AF_INET; 
 serv_addr.sin_port
=
htons(SERVPORT); 
 serv_addr.sin_addr 
= *((struct in_addr *)host->
h_addr); 
 bzero(
&(serv_addr.sin_zero),8
); 
 
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&
serv_addr,  
   
sizeof(struct sockaddr)) == -1...

perror(
"connect出错!"
); 
exit(
1
); 
}
 
 
if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1...

perror(
"recv出错!"
); 
exit(
1
); 
}
 
 buf[recvbytes] 
= '

  客户端的工作流程是这样的:首先通过服务器域名获得服务器的IP地址,然后创建一个socket,调用connect函数与服务器建立连接,连接成功之后接收从服务器发送过来的数据,最后关闭socket。 
  函数gethostbyname()是完成域名转换的。由于IP地址难以记忆和读写,所以为了方便,人们常常用域名来表示主机,这就需要进行域名和IP地址的转换。函数原型为: 
  struct hostent *gethostbyname(const char *name); 
  函数返回为hosten的结构类型,它的定义如下: 
  struct hostent { 
  char *h_name; /* 主机的官方域名 */ 
   char **h_aliases; /* 一个以NULL结尾的主机别名数组 */ 
   int h_addrtype; /* 返回的地址类型,在Internet环境下为AF-INET */ 
  int h_length; /* 地址的字节长度 */ 
   char **h_addr_list; /* 一个以0结尾的数组,包含该主机的所有地址*/ 
  }; 
  #define h_addr h_addr_list[0] /*在h-addr-list中的第一个地址*/ 
  当 gethostname()调用成功时,返回指向struct hosten的指针,当调用失败时返回-1。当调用gethostbyname时,你不能使用perror()函数来输出错误信息,而应该使用herror()函数来输出。 

  无连接的客户/服务器程序的在原理上和连接的客户/服务器是一样的,两者的区别在于无连接的客户/服务器中的客户一般不需要建立连接,而且在发送接收数据时,需要指定远端机的地址。 

阻塞和非阻塞 
  阻塞函数在完成其指定的任务以前不允许程序调用另一个函数。例如,程序执行一个读数据的函数调用时,在此函数完成读操作以前将不会执行下一程序语句。当服务器运行到accept语句时,而没有客户连接服务请求到来,服务器就会停止在accept语句上等待连接服务请求的到来。这种情况称为阻塞(blocking)。而非阻塞操作则可以立即完成。比如,如果你希望服务器仅仅注意检查是否有客户在等待连接,有就接受连接,否则就继续做其他事情,则可以通过将Socket设置为非阻塞方式来实现。非阻塞socket在没有客户在等待时就使accept调用立即返回。 
  #i nclude  
  #i nclude  
  …… 
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); 
fcntl(sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK); 
…… 
  通过设置socket为非阻塞方式,可以实现"轮询"若干Socket。当企图从一个没有数据等待处理的非阻塞Socket读入数据时,函数将立即返回,返回值为-1,并置errno值为EWOULDBLOCK。但是这种"轮询"会使CPU处于忙等待方式,从而降低性能,浪费系统资源。而调用select()会有效地解决这个问题,它允许你把进程本身挂起来,而同时使系统内核监听所要求的一组文件描述符的任何活动,只要确认在任何被监控的文件描述符上出现活动,select()调用将返回指示该文件描述符已准备好的信息,从而实现了为进程选出随机的变化,而不必由进程本身对输入进行测试而浪费CPU开销。Select函数原型为: 
int select(int numfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds, 
fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout); 
  其中readfds、writefds、exceptfds分别是被select()监视的读、写和异常处理的文件描述符集合。如果你希望确定是否可以从标准输入和某个socket描述符读取数据,你只需要将标准输入的文件描述符0和相应的sockdtfd加入到readfds集合中;numfds的值是需要检查的号码最高的文件描述符加1,这个例子中numfds的值应为sockfd+1;当select返回时,readfds将被修改,指示某个文件描述符已经准备被读取,你可以通过FD_ISSSET()来测试。为了实现fd_set中对应的文件描述符的设置、复位和测试,它提供了一组宏: 
  FD_ZERO(fd_set *set)----清除一个文件描述符集; 
  FD_SET(int fd,fd_set *set)----将一个文件描述符加入文件描述符集中; 
  FD_CLR(int fd,fd_set *set)----将一个文件描述符从文件描述符集中清除; 
  FD_ISSET(int fd,fd_set *set)----试判断是否文件描述符被置位。 
  Timeout参数是一个指向struct timeval类型的指针,它可以使select()在等待timeout长时间后没有文件描述符准备好即返回。struct timeval数据结构为: 
  struct timeval { 
   int tv_sec; /* seconds */ 
   int tv_usec; /* microseconds */ 
}; 

POP3客户端实例 
  下面的代码实例基于POP3的客户协议,与邮件服务器连接并取回指定用户帐号的邮件。与邮件服务器交互的命令存储在字符串数组POPMessage中,程序通过一个do-while循环依次发送这些命令。 
#i nclude 
#i nclude  
#i nclude  
#i nclude  
#i nclude  
#i nclude  
#i nclude  
#i nclude  
#define POP3SERVPORT 110 
#define MAXDATASIZE 4096 

main(int argc, char *argv[]){ 
int sockfd; 
struct hostent *host; 
struct sockaddr_in serv_addr; 
char *POPMessage[]={ 
"USER userid\r\n", 
"PASS password\r\n", 
"STAT\r\n", 
"LIST\r\n", 
"RETR 1\r\n", 
"DELE 1\r\n", 
"QUIT\r\n", 
NULL 
}; 
int iLength; 
int iMsg=0; 
int iEnd=0; 
char buf[MAXDATASIZE]; 

if((host=gethostbyname("your.server"))==NULL) { 
perror("gethostbyname error"); 
exit(1); 

if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){ 
perror("socket error"); 
exit(1); 

serv_addr.sin_family=AF_INET; 
serv_addr.sin_port=htons(POP3SERVPORT); 
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr); 
bzero(&(serv_addr.sin_zero),8); 
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1){ 
perror("connect error"); 
exit(1); 


do { 
send(sockfd,POPMessage[iMsg],strlen(POPMessage[iMsg]),0); 
printf("have sent: %s",POPMessage[iMsg]); 

iLength=recv(sockfd,buf+iEnd,sizeof(buf)-iEnd,0); 
iEnd+=iLength; 
buf[iEnd]='\0'; 
printf("received: %s,%d\n",buf,iMsg); 

iMsg++; 
} while (POPMessage[iMsg]); 

close(sockfd); 
}

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