Linux网络编程—Day5

Jane_Librastar

已于 2023-05-15 21:06:36 修改

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分类专栏： Linux学习记录文章标签： linux 网络服务器

于 2023-05-15 20:58:10 首次发布

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Linux网络编程中的API

socket地址API:socket的含义是一个IP地址和端口对（ip，port）。它唯一地表示了使用TCP通信的一端。
socket基础API:socket的主要API都定义在sys/socket.h头文件中，包括创建socket、命名socket、监听socket、接受连接、发起连接、读写数据、获取地址信息、检测带外标记，以及读取和设置socket选项。
网络信息API:Linux提供了一套网络信息API，以实现主机名和IP地址之间的转换，以及服务名称和端口号之间的转换。这些API都定义在netdb.h头文件中。

socket地址API

主机字节序：字节序分为大端字节序和小端字节序。大端字节序是指一个整数的高位字节（23～31 bit）存储在内存的低地址处，低位字节（0～7 bit）存储在内存的高地址处。小端字节序则是指整数的高位字节存储在内存的高地址处，而低位字节则存储在内存的低地址处。

现代主机大多采用小端字节序，因此小端字节序又被称为主机字节序。当格式化数据在两台使用不同字节的主机之间传递时，需要其中一方对数据进行转换。大端字节序也称为网络字节序，它给所有接收数据的主机提供了一个正确解释收到的格式化数据的保证。Linux提供了如下四个函数来完成主机字节序和网络字节序之间的转换：

#include＜netinet/in.h＞
unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong);
unsigned short int htons(unsigned short int hostshort);
unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong);
unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort);

htonl表示“host to network long”；htons表示“host to network short”；ntohl表示“network to host long”；ntohs表示“network to host short”；长整型函数通常用来转换IP地址，短整型函数用来转换端口号

通用socket地址：socket网络编程接口中表示socket地址的是结构体sockaddr，其定义如下

#include＜bits/socket.h＞
struct sockaddr
{
    sa_family_t sa_family;
    char sa_data[14];
}

专用socket地址：这里介绍TCP/IP协议的专用地址结构，sockaddr_in和sockaddr_in6两个专用socket地址结构体，它们分别用于IPv4和IPv6。

struct sockaddr_in
{
    sa_family_t sin_family;/*地址族：AF_INET*/
    u_int16_t sin_port;/*端口号，要用网络字节序表示*/
    struct in_addr sin_addr;/*IPv4地址结构体，见下面*/
};
struct in_addr
{
    u_int32_t s_addr;/*IPv4地址，要用网络字节序表示*/
};

struct sockaddr_in6
{
    sa_family_t sin6_family;/*地址族：AF_INET6*/
    u_int16_t sin6_port;/*端口号，要用网络字节序表示*/
    u_int32_t sin6_flowinfo;/*流信息，应设置为0*/
    struct in6_addr sin6_addr;/*IPv6地址结构体，见下面*/
    u_int32_t sin6_scope_id;/*scope ID，尚处于实验阶段*/
};
struct in6_addr
{
    unsigned char sa_addr[16];/*IPv6地址，要用网络字节序表示*/
};

所有专用socket地址类型的变量在实际使用时都需要转化为通用socket地址类型sockaddr（强制转换即可），因为所有socket编程接口使用的地址参数的类型都是sockaddr。

IP地址转换函数：

编程中我们需要先把IP地址转化为整数（二进制数）方能使用，但是记录日志时则相反，要把整数表示的IP地址转化为可读的字符串，下面3个函数可用于点分十进制字符串表示的IPv4地址和用网络字节序整数表示的IPv4地址之间的转换：

#include＜arpa/inet.h＞
in_addr_t inet_addr(const char*strptr);
int inet_aton(const char*cp,struct in_addr*inp);
char* inet_ntoa(struct in_addr in);

inet_addr函数将用点分十进制字符串表示的IPv4地址转化为用网络字节序整数表示的IPv4地址。它失败时返回INADDR_NONE；
inet_aton函数完成和inet_addr同样的功能，但是将转化结果存储于参数inp指向的地址结构中。它成功时返回1，失败则返回0。
inet_ntoa函数将用网络字节序整数表示的IPv4地址转化为用点分十进制字符串表示的IPv4地址

下面这对更新的函数也能完成和前面3个函数同样的功能，并且它们同时适用于IPv4地址和IPv6地址

#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 cnt);

inet_pton函数将用字符串表示的IP地址转换成用网络字节序整数表示的IP地址，并把转换结果存储于dst指向的内存中。其中，af 参数指定地址族，可以是AF_INET或者AF_INET6。inet_pton成功时返回1，失败则返回0并设置errno；
inet_ntop函数进行相反的转换，前三个参数的含义与inet_pton的参数相同，最后一个参数cnt指定目标存储单元的大小。inet_ntop成功时返回目标存储单元的地址，失败则返回NULL并设置errno。

socket基础API

创建socket

Linux系统中万物皆文件，socket就是可读，可写，可控制，可关闭的一个文件描述符。创建一个socket：

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
int socket(int domain,int type,int protocol);

domain参数告诉系统使用哪个底层协议族。对TCP/IP协议族而言，该参数应该设置为PF_INET（用于IPv4）或 PF_INET6（用于IPv6）；
type参数指定服务类型。服务类型主要有SOCK_STREAM服务（流服务/TCP协议）和SOCK_UGRAM（数据报/UDP协议）服务；
protocol参数是在前两个参数构成的协议集合下，再选择一个具体的协议。不过这个值通常都是唯一的（前两个参数已经完全决定了它的值）。几乎在所有情况下，我们都应该把它设置为0，表示使用默认协议。

socket系统调用成功时返回一个socket文件描述符，失败则返回-1并设置errno。

命名socket

创建socket时，我们给它指定了地址族，但是并未指定使用该地址族中的哪个具体socket地址。将一个socket与socket地址绑定称为给 socket命名。在服务器程序中，我们通常要命socket，因为只有命名后客户端才能知道该如何连接它。客户端则通常不需要命名socket，而是采用匿名方式，命名socket的系统调用bind

#include＜sys/types.h＞
#include＜sys/socket.h＞
int bind(int sockfd,const struct sockaddr* my_addr,socklen_t addrlen);

bind将my_addr所指的socket地址分配给未命名的sockfd文件描述符，addrlen参数指出该socket地址的长度

bind成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。其中两种常见的 errno是EACCES和EADDRINUSE，它们的含义分别是：

EACCES：被绑定的地址是受保护的地址，仅超级用户能够访问
EADDRINUSE：被绑定的地址正在使用中

监听socket

socket被命名之后，还不能马上接受客户连接，我们需要使用如下系统调用来创建一个监听队列以存放待处理的客户连接

#include＜sys/socket.h＞
int listen(int sockfd,int backlog);

sockfd参数指定被监听的socket。backlog参数提示内核监听队列的最大长度。监听队列的长度如果超过backlog，服务器将不受理新的客户连接，客户端也将收到ECONNREFUSED错误信息

listen成功时返回0，失败则返回-1并设置errno

实操

编写一个服务器程序，研究 backlog参数对listen系统调用的实际影响

#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdbool.h>
#include<libgen.h>
static bool stop=false;
/*SIGTERM信号的处理函数，触发时结束主程序中的循环*/
static void handle_term(int sig)
{
        stop=true;
}
int main(int argc,char* argv[])
{
        signal(SIGTERM,handle_term);//处理信号
        if(argc <= 3)
        {
                printf("usage:%s ip_address port_number backlog\n",basename(argv[0]));
                return 1;
        }
        const char* ip=argv[1];//ip地址
        int port=atoi(argv[2]);//端口号
        int backlog=atoi(argv[3]);//字符串转整型，监听队列最大长度
        int sock=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建socket指定地址族和协议，返回文件描述符
        assert(sock>0);//查看返回的文件描述符是否为0，若是0，表示socket创建失败，直接终止程序
        /*创建一个IPv4 socket地址*/
        struct sockaddr_in address;
        bzero(&address,sizeof(address));
        address.sin_family=AF_INET;
        inet_pton(AF_INET,ip,&address.sin_addr);//将字符串表示的ip地址转换成网络字节序，转换结果储存在address.sin_addr中
        address.sin_port=htons(port);//端口号的主机字节转换成网络字节序
        int ret=bind(sock,(struct sockaddr*)&address,sizeof(address));//命名socket
printf("value of ret:%d\n",ret);
        assert(ret != -1);
        ret=listen(sock,backlog);//创建一个监听队列以存放待处理的客户链接
        assert(ret != -1);
        /*循环等待链接，直到有SIGTERM信号将他中断*/
        while(!stop)
        {
                sleep(1);
        }
        /*关闭socket*/
        close(sock);
        return 0;
}

该程序（名为testlisten）接收3个参数：IP地址、端口号和 backlog值。我们在Aliyun上运行该服务器程序，并在Ubuntu上多次执行telnet命令来连接该服务器程序。同时，每使用telnet命令建立一个连接，就执行一次netstat命令来查看服务器上连接的状态，具体操作过程如下：

./testlisten 172.18.190.194 35555 5 //在服务器端执行该程序
telnet 8.130.123.201 35555  //在客户端多次执行该命令
netstat -nt | grep 35555    //每次执行完第二行命令，紧接着执行这条命令

netstat显示了这一时刻listen 监听队列的内容

这个结果是在客户端上执行了六次telnet操作，可以看到在监听队列中，处于ESTABLISHED状态的连接有6个（backlog值加1，完整连接多有backlog+1个）；

当继续执行telnet命令时，执行结果显示已经无法连接了，队列已经满了

阿里云服务器绑定端口时出现的问题
刚开始在执行./testlisten 8.130.123.201 xxxxx 5 时，失败！！！查阅了好多博客，发现网址有问题，阿里云服务器绑定端口号的不能用公网IP，要用私网IP！修改之后，还失败！！！然后继续查啊查，发现我端口选择的是12345，一直提示错误，端口绑定失败，因为不是所有端口都可以用的，查看一下服务器端可用的端口是 32768 ~60999，然后换一下端口号，换成35555；改了之后发现还是不能telnet，又是阿里云安全组问题！！！在阿里云服务器控制台出配置一下安全组规则，允许外部telnet它。注意，服务器端IP+端口时要用阿里云的私网IP，当时外面的客户端要是想连接阿里云服务器，需要telnet阿里云的公网IP哦！！！唉，搞了一下午，只能说，阿里云，“你牛逼！”。

接受连接

下面的系统调用从listen监听队列中接受一个连接：

#include＜sys/types.h＞
#include＜sys/socket.h＞
int accept(int sockfd,struct sockaddr*addr,socklen_t*addrlen);

sockfd参数是执行过listen系统调用的监听socket [1] 。addr参数用来获取被接受连接的远端socket地址，该socket地址的长度由addrlen参数指出。accept成功时返回一个新的连接socket，该socket唯一地标识了被接受的这个连接，服务器可通过读写该socket来与被接受连接对应的客户端通信，accept失败时返回-1并设置errno。

accept只是从监听队列中取出连接，而不论连接处于何种状态（如上面的ESTABLISHED状态和CLOSE_WAIT状态），更不关心任何网络状况的变化。

发起连接

服务器通过listen调用来被动接受连接，客户端需要通过如下系统调用来主动与服务器建立连接：

#include＜sys/types.h＞
#include＜sys/socket.h＞
int connect(int sockfd,const struct sockaddr*serv_addr,socklen_t addrlen);

sockfd参数由socket系统调用返回一个socket。serv_addr参数是服务器监听的socket地址，addrlen参数则指定这个地址的长度。connect成功时返回0。一旦成功建立连接，sockfd就唯一地标识了这个连接，客户端就可以通过读写sockfd来与服务器通信。connect失败则返回-1并设置errno。两种常见的errno是ECONNREFUSED和 ETIMEDOUT，它们的含义如下：

ECONNREFUSED，目标端口不存在，连接被拒绝；
ETIMEDOUT，连接超时。

关闭连接

关闭一个连接实际上就是关闭该连接对应的socket，这可以通过如下关闭普通文件描述符的系统调用来完成：

#include＜unistd.h＞
int close(int fd);

fd参数是待关闭的socket。不过，close系统调用并非总是立即关闭一个连接，而是将fd的引用计数减1。只有当fd的引用计数为0时，才真正关闭连接。多进程程序中，一次fork系统调用默认将使父进程中打开的socket的引用计数加1，因此我们必须在父进程和子进程中都对该socket执行close调用才能将连接关闭。