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Linux下基于C/C++的Socket编程基础  

2010-05-14 14:47:18|  分类: c,c++ |  标签: |举报 |字号 订阅

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Linux下基于C/C++的Socket编程基础

什么是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函数时需要将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 址结构的长度。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 数据什么时候到达端口。

   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是接收数据的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。


文章出处:http://www.diybl.com/course/3_program/c++/cppsl/200861/118803.html
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