socket与TCP/UDP编程

野性酷女 2022-08-23 03:54 246阅读 0赞

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：

![ExpandedBlockStart.gif][]

![复制代码][copycode.gif]

＃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!  " ,  26 ,  0 )  ==  \- 1 )  
　　 perror( " send出错！ " );  
close(client\_fd);  
exit( 0 );  
\}  
　　close(client\_fd);  
　　\}  
　\}  
\}

![复制代码][copycode.gif]

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：

![ExpandedBlockStart.gif][]

![复制代码][copycode.gif]

＃i nclude < stdio.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 );  
\}

![复制代码][copycode.gif]

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 <unistd.h>

＃i nclude <fcntl.h>

……

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。

![ExpandedBlockStart.gif][]

![复制代码][copycode.gif]

＃i nclude < stdio.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  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);  
\}

[ExpandedBlockStart.gif]: /images/20220722/18b49cb91b1b4d8ca61598a949f42ddc.png
[copycode.gif]: /images/20220722/8c86e8886e3a4c93aaaef953f314a6dc.png