网络编程三:Socket API

本文详细介绍了Socket编程的基础知识,包括socket、bind、listen等关键API的使用方法,以及如何实现简单的C/S通信程序。

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socket称作"套接字",用于描述IP地址和端口,是一个通信链的句柄。应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求。

以下是几个重要的Sockect API

1.socket函数

intsocket(intdomain,inttype,intprotocol);

应用程序调用socket函数来创建一个能够进行网络通信套接字

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/* 头文件 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
/* 函数原型 */
int socket( int domain, int type, int protocol);
第一个 参数指定应用 程序使用的 通信协议的协议族,对于TCP/IP协议族,该参数置AF_INET;
第二个 参数指定要创建的 套接字类型,流套接字类型为SOCK_STREAM、数据报套接字类型为SOCK_DGRAM、原始套接字SOCK_RAW(WinSock接口并不适用某种特定的协议去 封装它,而是由 程序自行处理数据包以及协议首部);
第三个 参数指定应用 程序所使用的 通信协议。此 参数可以指定单个协议系列中的不同 传输协议。在Internet通讯域中,此 参数一般取值为0,系统会根据 套接字的类型决定应使用的 传输层协议。
该函数如果调用成功就返回新创建的 套接字的描述符,如果失败就返回INVALID_SOCKET。(Linux下失败返回-1) 套接字描述符是一个整数类型的值。每个进程的进程空间里都有一个 套接字描述符表,该表中存放着套接字描述符和套接字 数据结构的对应关系。该表中有一个字段存放新创建的 套接字的描述符,另一个字段存放套接字 数据结构地址,因此根据套接字描述符就可以找到其对应的套接字数据结构。

2.bind函数
int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen); 
bind函数用于将套接字绑定到一个已知的地址上。
sockfd:是一个 套接字描述符。
my_addr:是一个sockaddr结构 指针,该结构中包含了要结合的地址和 端口号
addrlen:确定address 缓冲区的长度。
返回值:如果函数执行成功,返回值为0,否则为SOCKET_ERROR。
#include <string.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h> 
#define MYPORT 3490 
main() 
{ 
 int sockfd; 

 struct sockaddr_in my_addr; 

  sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); /*需要错误检查 */ 

  my_addr.sin_family = AF_INET; /* host byte order */ 

 my_addr.sin_port = htons(MYPORT); /* short, network byte order */ 

 my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("132.241.5.10"); 

 bzero(&(my_addr.sin_zero),; /* zero the rest of the struct */ 

  /* don't forget your error checking for bind(): */ 

 bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)); 
}
在 bind() 主题中最后要说的话是,在处理自己的 IP 地址和/或端口的 时候,有些工作是可以自动处理的。 
my_addr.sin_port = 0; /* 随机选择一个没有使用的端口 */ 
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 使用自己的IP地址 */ 
通过将0赋给 my_addr.sin_port,你告诉 bind() 自己选择合适的端 口。同样,将 my_addr.sin_addr.s_addr 设置为 INADDR_ANY,你告诉 它自动填上它所运行的机器的 IP 地址。  如果你一向小心谨慎,那么你可能注意到我没有将 INADDR_ANY 转 换为网络字节顺序!这是因为我知道内部的东西:INADDR_ANY 实际上就 是 0!即使你改变字节的顺序,0依然是0。但是完美主义者说应该处处一致,INADDR_ANY或许是12呢?你的代码就不能工作了,那么就看下面 的代码: 
my_addr.sin_port = htons(0); /* 随机选择一个没有使用的端口 */ 
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);/* 使用自己的IP地址 */ 
你或许不相信,上面的代码将可以随便移植。我只是想指出,既然你 所遇到的程序不会都运行使用htonl的INADDR_ANY。 另外在你调用 bind() 的时候,你要小心的另一件事情是:不要采用小于 1024的端口号。所有小于1024的端口号都被系统保留!你可以选择从1024 到65535的端口(如果它们没有被别的程序使用的话)。 

3.listen函数
int listen(int sockfd, int backlog); 
sockfd:已捆绑未连接套接字描述符。
backlog: 等待连接队列的最大长度
大多数系统的允许数目backlog是20,你也可以设置为5到10。

4.accept()函数 
在一个套接口接受一个连接.
int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen); 
sockfd是和 listen() 中一样的套接字描述符
addr: addr 是个指 向局部的数据结构 sockaddr_in 的指针。这是要求接入的信息所要去的地 方
addrlen:输入参数,配合addr一起使用,指向存有addr地址长度的整型数。
成功返回一个新的套接字描述符,失败返回-1。
函数从s的等待连接队列中抽取第一个连接,创建一个与s同类的新的套接口并返回句柄。如果队列中无等待连接,且套接口为阻塞方式,则accept()阻塞调用进程直至新的连接出现。如果套接口为非阻塞方式且队列中无等待连接,则accept()返回一错误代码。已接受连接的套接口不能用于接受新的连接,原套接口仍保持开放。
addr参数为一个返回参数,其中填写的是为通讯层所知的连接实体地址。。addrlen参数也是一个返回参数,在调用时初始化为addr所指的地址空间;在调用结束时它包含了实际返回的地址的长度(用字节数表示)。该函数与SOCK_STREAM类型的面向连接的套接口一起使用。如果addr与addrlen中有一个为零NULL,将不返回所接受的套接口远程地址的任何信息。

5.conncet()函数
#include <sys/socket.h> 
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen); 
sockfd:套接字描述符。
serv_addr,:欲进行连接的地址。
addrlen:地址长度。
若无错误发生,则connect()返回0。否则的话,返回SOCKET_ERROR错误。
sockfd 是系统调用 socket() 返回的套接字文件描述符。serv_addr 是 保存着目的地端口和 IP 地址的数据结构 struct sockaddr。addrlen 设置 为 sizeof(struct sockaddr)。 你可能看到,我没有调用 bind()。因为我不在乎本地的端口号。 我只关心我要去那。内核将为我选择一个合适的端口号,而我们所连接的 地方也自动地获得这些信息。一切都不用担心。 
6.send()函数
#include <winsock.h>
int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags); 
向一个已连接的套接口发送数据
sockfd :是你想发送数据的套接字描述符(或者是调用 socket() 或者是 accept() 返回的)
msg:包含待发送数据的 缓冲区
len: 缓冲区中数据的长度。
flags:调用执行方式。
若无错误发生,返回实际发送的数据的字节数--它可能小于你要求发送的数目。否则的话,返回SOCKET_ERROR错误,应用程序可通过WSAGetLastError()获取相应错误代码
请注意成功地完成send()调用并不意味着 数据传送到达。
如果数据太长无法自动通过下层协议,则返回WSAEMSGSIZE错误,数据不会被发送。
如果传送系统的 缓冲区空间不够保存需传送的数据,除非 套接口处于非阻塞I/O方式,否则send()将阻塞。对于非阻塞SOCK_STREAM类型的 套接口,实际写的数据数目可能在1到所需大小之间,其值取决于本地和远端主机的 缓冲区大小。可用 select()调用来确定何时能够进一步发送数据。

7.recv()函数
#include<sys/socket.h>
int recv(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags); 
从一个套接口接收数据。
s: 是要读的套接字描述符
buf:用于接收数据的 缓冲区
len: 缓冲区长度。
flags:指定调用方式。
recv函数返回其实际copy的字节数。如果recv在copy时出错,那么它返回SOCKET_ERROR;如果recv函数在等待协议接收数据时网络中断了,那么它返回0。
这里描述下同步Socket的recv函数的执行流程。当 应用程序调用recv函数时:
(1)recv先等待s的发送缓冲中的数据被协议传送完毕,如果协议在传送s的发送缓冲中的数据时出现网络错误,那么recv函数返回SOCKET_ERROR;
(2)如果s的发送缓冲中没有数据或者数据被协议成功发送完毕后,recv先检查套接字s的接收 缓冲区,如果s接收缓冲区中没有数据或者协议正在接收数据,那么recv就一直等待,直到协议把数据接收完毕。当协议把数据接收完毕,recv函数就把s的接收缓冲中的数据copy到buf中(注意协议接收到的数据可能大于buf的长度,所以在这种情况下要调用几次recv函数才能把s的接收缓冲中的数据copy完。recv函数仅仅是copy数据,真正的接收数据是协议来完成的)

有几个概念了解下
1.机构体

 
首先是简单的一个:socket描述符。它是下面的类型: i nt . 仅仅是一个常见的 int。   
我的第一个结构(在这个技术手册TM中)--struct sockaddr.。这个结构 为许多类型的套接字储存套接字地址信息:
struct sockaddr { 
   unsigned short sa_family; /* 地址家族, AF_xxx */ 
   char sa_data[14]; /*14字节协议地址*/ 
   }; 
sa_family 能够是各种各样的类型,但是在这篇文章中都是 "AF_INET"。 sa_data包含套接字中的目标地址和端口信息。这好像有点 不明智。 
为了处理struct sockaddr,程序员创造了一个并列的结构: struct sockaddr_in ("in" 代表 "Internet"。) 
struct sockaddr_in { 
   short int sin_family; /* 通信类型 */ 
   unsigned short int sin_port; /* 端口 */ 
   struct in_addr sin_addr; /* Internet 地址 */ 
   unsigned char sin_zero[8]; /* 与sockaddr结构的长度相同*/ 
   }; 
用这个数据结构可以轻松处理套接字地址的基本元素。注意 sin_zero (它被加入到这个结构,并且长度和 struct sockaddr 一样) 应该使用函数 bzero() 或 memset() 来全部置零。 同时,这一重要的字节,一个指向 sockaddr_in结构体的指针也可以被指向结构体sockaddr并且代替它。这 样的话即使 socket() 想要的是 struct sockaddr *,你仍然可以使用 struct sockaddr_in,并且在最后转换。同时,注意 sin_family 和 struct sockaddr 中的 sa_family 一致并能够设置为 "AF_INET"。最后,sin_port和 sin_addr 必须是网络字节顺序 (Network Byte Order)! 
你也许会反对道:"但是,怎么让整个数据结构 struct in_addr sin_addr 按照网络字节顺序呢?" 要知道这个问题的答案,我们就要仔细的看一看这 个数据结构: struct in_addr, 有这样一个联合 (unions): 
/* Internet 地址 (一个与历史有关的结构) */ 
   struct in_addr { 
   unsigned long s_addr; 
   }; 
2.本机转换(网络字节顺序 与 本机字节顺序 的转换)
htons()--"Host to Network Short" 
  htonl()--"Host to Network Long" 
  ntohs()--"Network to Host Short" 
  ntohl()--"Network to Host Long" 
现在,你可能想你已经知道它们了。你也可能想:“如果我想改变 char 的顺序要怎么办呢?” 但是你也许马上就想到,“用不着考虑的”。你也许会想到:我的机器已经使用了网络字节顺序,我没有必要去调用 htonl() 转换 IP 地址。你可能是对的,但是当你移植你的程序到别的机器 上的时候,你的程序将失败。可移植性!这里是 Unix 世界!记住:在你将数据放到网络上的时候,确信它们是网络字节顺序的。 
最后一点:为什么在数据结构 struct sockaddr_in 中, sin_addr 和 sin_port 需要转换为网络字节顺序,而sin_family 需不需要呢? 答案是: sin_addr 和 sin_port 分别封装在包的 IP 和 UDP 层。因此,它们必须要 是网络字节顺序。但是 sin_family 域只是被内核 (kernel) 使用来决定在数 据结构中包含什么类型的地址,所以它必须是本机字节顺序。同时, sin_family 没有发送到网络上,它们可以是本机字节顺序。
3,如此处理IP地址
假设你已经有了一个sockaddr_in结构体ina,你有一个IP地址"132.241.5.10"要储存在其中,你就要用到函数inet_addr(),将IP地址从 点数格式转换成无符号长整型。使用方法如下: 
ina.sin_addr.s_addr = inet_addr("132.241.5.10"); 
注意,inet_addr()返回的地址已经是网络字节格式,所以你无需再调用 函数htonl()。 

最后是简单的一个C/S通信程序
服务器代码: 
#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> 
#define MYPORT 3490 /*定义用户连接端口*/ 
#define BACKLOG 10 /*多少等待连接控制*/ 
main() 
   { 
   int sockfd, new_fd; /* listen on sock_fd, new connection on new_fd 
*/ 
   struct sockaddr_in my_addr; /* my address information */ 
   struct sockaddr_in their_addr; /* connector's address information */ 
   int sin_size; 
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) { 
   perror("socket"); 
   exit(1); 
   } 

my_addr.sin_family = AF_INET; /* host byte order */ 
   my_addr.sin_port = htons(MYPORT); /* short, network byte order */ 
   my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* auto-fill with my IP */ 
   bzero(&(my_addr.sin_zero),; /* zero the rest of the struct */ 

if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct 
sockaddr))== -1) { 
   perror("bind"); 
   exit(1); 
   } 
if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) { 
   perror("listen"); 
   exit(1); 
   } 

while(1) { /* main accept() loop */ 
   sin_size = sizeof(struct sockaddr_in); 
   if ((new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr, 
   &sin_size)) == -1) { 
   perror("accept"); 
   continue; 
   } 
   printf("server: got connection from %sn", 
   inet_ntoa(their_addr.sin_addr)); 
   if (!fork()) { /* this is the child process */ 
   if (send(new_fd, "Hello, world!n", 14, 0) == -1) 
   perror("send"); 
   close(new_fd); 
   exit(0); 
   } 
   close(new_fd); /* parent doesn't need this */ 
while(waitpid(-1,NULL,WNOHANG) > 0); /* clean up child processes */ 
   } 
   } 


客户端代码
#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> 
#define PORT 3490 /* 客户机连接远程主机的端口 */ 
#define MAXDATASIZE 100 /* 每次可以接收的最大字节 */ 
int main(int argc, char *argv[]) 
   { 
   int sockfd, numbytes; 
   char buf[MAXDATASIZE]; 
   struct hostent *he; 
   struct sockaddr_in their_addr; /* connector's address information */ 
if (argc != 2) { 
   fprintf(stderr,"usage: client hostnamen"); 
   exit(1); 
   } 
if ((he=gethostbyname(argv[1])) == NULL) { /* get the host info */ 
   herror("gethostbyname"); 
   exit(1); 
   } 

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

their_addr.sin_family = AF_INET; /* host byte order */ 
  their_addr.sin_port = htons(PORT); /* short, network byte order */ 
  their_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)he->h_addr); 
  bzero(&(their_addr.sin_zero),; /* zero the rest of the struct */ 
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr,sizeof(struct 
sockaddr)) == -1) { 
   perror("connect"); 
   exit(1); 
   } 
if ((numbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) == -1) { 
   perror("recv"); 
   exit(1); 
   } 
buf[numbytes] = ''; 
printf("Received: %s",buf); 
close(sockfd); 
return 0; 
   } 


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