Linux网络编程：简单入门

最新推荐文章于 2022-09-20 02:53:40 发布

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#Linux #socket #网络编程

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本文介绍了Linux网络编程的基础，包括Socket的概念、常用函数、TCP/UDP编程流程。讲解了Socket建立、配置、连接、数据传输的过程，以及TCP和UDP的简单编程实例。

网络编程基础概念

网络程序和普通的程序有一个最大的区别是网络程序是由两个部分组成的–客户端和服务器端。在网络程序中，如果一个程序主动和外面的程序通信，那么我们把这个程序称为客户端程序。比如我们使用ftp程序从另外一个地方获取文件的时候，是我们的ftp程序主动同外面进行通信（获取文件），所以这个地方我们的ftp程序就是客户端程序。和客户端相对应的程序即为服务端程序。被动的等待外面的程序来和自己通讯的程序称为服务端程序。比如上面的文件获取中，另外一个地方的程序就是服务端，我们从服务端获取文件过来。实际生活中有些程序是互为服务和客户端。在这种情况项目，一个程序既为客户端也是服务端。

现在网络编程一般都是使用Socket，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Linux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常用函数介绍

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);

参数domain说明我们网络程序所在的主机采用的通讯协族
AF_UNIX：只能够用于单一的Unix 系统进程间通信
AF_INET：是针对Internet的,因而可以允许在远程

参数type指定socket的类型
SOCK_STREAM：表明我们用的是TCP 协议,这样会提供按顺序的,可靠,双向,面向连接的比特流.
SOCK_DGRAM：表明我们用的是UDP协议,这样只会提供定长的,不可靠,无连接的通信.

参数protocol通常赋值"0"

Socket()调用成功则返回一个整型socket描述符，你可以在后面的调用使用它，失败时返回-1Socket。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。

Socket配置

我们都知道数据传输的三要素，源，目的，长度，所以通过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,const struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

参数sockfd是调用socket函数返回的socket描述符

参数addrlen是sockaddr结构的长度，常被设置为sizeof(struct sockaddr).

参数my_addr是一个指向sockaddr的指针.

不过由于系统的兼容性,我们一般不用这个结构体,而使用另外一个结构struct sockaddr_in来代替，sockaddr_in的定义如下

    struct sockaddr_in{
            unsigned short          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 */
    }

参数sin_family一般为AF_INET

参数sin_port是我们要监听的端口号，如果填0，则系统随机选择一个未被使用的端口号。除此之外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。

参数sin_addr一般设置为my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY表示填入本机IP并且可以和任何的主机通信

参数sin_zero[8] 是用来填充的，可以用bzero()或memset()函数将其置为零.

bind将本地的端口同socket返回的文件描述符捆绑在一起.成功是返回0。

注意：在使用bind函数是需要将sin_port转换成为网络字节优先顺序。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

除了bind在socket提供的API中还提供一了一个listen函数，用来设置请求排队的最大长度

int listen(int sockfd,int backlog)

参数sockfd是socket函数返回的socket描述符

参数backlog设置请求排队的最大长度

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。

建立Socket连接

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);

参数Sockfd是socket函数返回的socket描述符

参数serv_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针，同样为了兼容性，我们使用另外一个结构struct sockaddr_in来代替，详细见上文。

参数addrlen是IP地址结构体的长度。

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。
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（TCP）使用socket时才需要调用此函数与远端主机相连。无连接协议（UDP）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。

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，函数原型如下：

int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);

参数sockfd是被监听的socket描述符

参数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）

参数addrten通常为一个指向值为sizeof(struct sockaddr_in)的整型指针变量。

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，两个函数原型如下

int send(int sockfd, const void *buf, int len, int flags);
int recv(int sockfd,void *buf,int len, int flags);

参数sockfd是你想用来传输数据的socket描述符

参数buf是一个指向要发送（接收）数据的指针

参数Len是以字节为单位的数据的长度

参数flags一般情况下置为0或者是以下组合

数值	含义
MSG_DONTROUTE	不查找路由表
MSG_OOB	接受或者发送带外数据
MSG_PEEK	查看数据,并不从系统缓冲区移走数据
MSG_WAITALL	等待所有数据

MSG_DONTROUTE：是send函数使用的标志，这个标志告诉IP协议，目的主机在本地网络上面，没有必要查找路由表，这个标志一般用网络诊断和路由程序里面。

MSG_OOB：表示可以接收和发送带外的数据。

MSG_PEEK：是recv函数的使用标志,表示只是从系统缓冲区中读取内容，而不清除系统缓冲区的内容，.这样下次读的时候仍然是一样的内容，一般在有多个进程读写数据时可以使用这个标志.

MSG_WAITALL：是recv函数的使用标志，表示等到所有的信息到达时才返回，使用这个标志的时候recv回一直阻塞,直到指定的条件满足，或者是发生了错误

当读到了指定的字节时,函数正常返回.返回值等于len
当读到了文件的结尾时,函数正常返回.返回值小于len
当操作发生错误时,返回-1,且设置错误为相应的错误号(errno)

还有其它的几个选项，不过我们实际上用的很少，可以查看 Linux Programmer’s Manual得到详细解释.

sendto()和recvfrom()用于在无连接（UDP）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。函数原型如下：

int sendto(int sockfd, const void *buf,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen);
int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);

前面三个参数的含义都同上，只是多了两个参数来表示收（发）方的地址参数。

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);

参数sockfd是你想用来传输数据的socket描述符。
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。函数原型如下：

int shutdown(int sockfd,int how);

参数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：

数值	含义
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

shutdown在操作成功时返回0，在出现错误时返回-1并置相应errno。

TCP/UDP两种编程流程

TCP网络编程

服务端

socket

bind

listen

send/recv

客户端

socket

connect

send/recv

UDP网络编程

服务端

socket

bind

sendto/recvfrom

客户端

socket

connect

send/recv

TCP网络编程简单实例

下面这个例子，首先运行服务端程序，然后用Xshell 6登录虚拟机，再运行客户端程序并在后面加上服务器IP地址，在客户端程序这边输入数据按回车就可以在服务端打印出数据。
服务端

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>


/* socket
 * bind
 * listen
 * accept
 * send/recv
 */

#define SERVER_PORT 8888
#define BACKLOG     10

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketServer;
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
	int iRet;
	int iAddrLen;

	int iRecvLen;
	unsigned char ucRecvBuf[1000];

	int iClientNum = -1;

	signal(SIGCHLD,SIG_IGN);		//防止僵死进程
	
	iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == iSocketServer)
	{
		printf("socket error!\n");
		return -1;
	}

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
	
	iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("bind error!\n");
		return -1;
	}

	iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG);
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("listen error!\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
		iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
		if (-1 != iSocketClient)
		{
			iClientNum++;
			printf("Get connect from client %d : %s\n",  iClientNum, inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr));
			if (!fork())
			{
				/* 子进程的源码 */
				while (1)
				{
					/* 接收客户端发来的数据并显示出来 */
					iRecvLen = recv(iSocketClient, ucRecvBuf, 999, 0);
					if (iRecvLen <= 0)
					{
						close(iSocketClient);
						return -1;
					}
					else
					{
						ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
						printf("Get Msg From Client %d: %s\n", iClientNum, ucRecvBuf);
					}
				}				
			}
		}
	}
	
	close(iSocketServer);
	return 0;
}

客户端

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

/* socket
 * connect
 * send/recv
 */

#define SERVER_PORT 8888

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	
	int iRet;
	unsigned char ucSendBuf[1000];
	int iSendLen;

	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage:\n");
		printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	//tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 	if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
 	{
		printf("invalid server_ip\n");
		return -1;
	}
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);


	iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));	
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("connect error!\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
		{
			iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
			if (iSendLen <= 0)
			{
				close(iSocketClient);
				return -1;
			}
		}
	}
	
	return 0;
}

UDP网络编程简单实例

服务端

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>


/* socket
 * bind
 * sendto/recvfrom
 */

#define SERVER_PORT 8888

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketServer;
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
	int iRet;
	int iAddrLen;

	int iRecvLen;
	unsigned char ucRecvBuf[1000];

	int iClientNum = -1;
	
	iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if (-1 == iSocketServer)
	{
		printf("socket error!\n");
		return -1;
	}

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
	
	iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("bind error!\n");
		return -1;
	}


	while (1)
	{
		iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
		iRecvLen = recvfrom(iSocketServer, ucRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
		if (iRecvLen > 0)
		{
			ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
			printf("Get Msg From %s : %s\n", inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr), ucRecvBuf);
		}
	}
	
	close(iSocketServer);
	return 0;
}

客户端

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

/* socket
 * connect
 * send/recv
 */

#define SERVER_PORT 8888

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	
	int iRet;
	unsigned char ucSendBuf[1000];
	int iSendLen;
	int iAddrLen;

	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage:\n");
		printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	//tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 	if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
 	{
		printf("invalid server_ip\n");
		return -1;
	}
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);

#if 0
	iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));	
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("connect error!\n");
		return -1;
	}
#endif

	while (1)
	{
		if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
		{
#if 0
			iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
#else
			iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
			iSendLen = sendto(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0,
			                      (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, iAddrLen);

#endif
			if (iSendLen <= 0)
			{
				close(iSocketClient);
				return -1;
			}
		}
	}
	
	return 0;
}