C语言SOCKET编程.docx
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C语言SOCKET编程.docx
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C语言SOCKET编程
介绍
Socket编程让你沮丧吗?
从manpages中很难得到有用的信息吗?
你想跟上时代去编Internet相关的程序,但是为你在调用connect()前的bind()的结构而不知所措?
等等…
好在我已经将这些事完成了,我将和所有人共享我的知识了。
如果你了解C语言并想穿过网络编程的沼泽,那么你来对地方了。
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读者对象
这个文档是一个指南,而不是参考书。
如果你刚开始socket编程并想找一本入门书,那么你是我的读者。
但这不是一本完全的socket编程书。
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平台和编译器
这篇文档中的大多数代码都在Linux平台PC上用GNU的gcc成功编译过。
而且它们在HPUX平台上用gcc也成功编译过。
但是注意,并不是每个代码片段都独立测试过。
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目录:
1)什么是套接字?
2)Internet套接字的两种类型
3)网络理论
4)结构体
5)本机转换
6)IP地址和如何处理它们
7)socket()函数
8)bind()函数
9)connect()函数
10)listen()函数
11)accept()函数
12)send()和recv()函数
13)sendto()和recvfrom()函数
14)close()和shutdown()函数
15)getpeername()函数
16)gethostname()函数
17)域名服务(DNS)
18)客户-服务器背景知识
19)简单的服务器
20)简单的客户端
21)数据报套接字Socket
22)阻塞
23)select()--多路同步I/O
24)参考资料
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什么是socket?
你经常听到人们谈论着“socket”,或许你还不知道它的确切含义。
现在让我告诉你:
它是使用标准Unix文件描述符(filedescriptor)和其它程序通讯的方式。
什么?
你也许听到一些Unix高手(hacker)这样说过:
“呀,Unix中的一切就是文件!
”那个家伙也许正在说到一个事实:
Unix程序在执行任何形式的I/O的时候,程序是在读或者写一个文件描述符。
一个文件描述符只是一个和打开的文件相关联的整数。
但是(注意后面的话),这个文件可能是一个网络连接,FIFO,管道,终端,磁盘上的文件或者什么其它的东西。
Unix中所有的东西就是文件!
所以,你想和Internet上别的程序通讯的时候,你将要使用到文件描述符。
你必须理解刚才的话。
现在你脑海中或许冒出这样的念头:
“那么我从哪里得到网络通讯的文件描述符呢?
”,这个问题无论如何我都要回答:
你利用系统调用socket(),它返回套接字描述符(socketdescriptor),然后你再通过它来进行send()和recv()调用。
“但是...”,你可能有很大的疑惑,“如果它是个文件描述符,那么为什么不用一般调用read()和write()来进行套接字通讯?
”简单的答案是:
“你可以使用!
”。
详细的答案是:
“你可以,但是使用send()和recv()让你更好的控制数据传输。
”存在这样一个情况:
在我们的世界上,有很多种套接字。
有DARPAInternet地址(Internet套接字),本地节点的路径名(Unix套接字),CCITTX.25地址(你可以将X.25套接字完全忽略)。
也许在你的Unix机器上还有其它的。
我们在这里只讲第一种:
Internet套接字。
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Internet套接字的两种类型
什么意思?
有两种类型的Internet套接字?
是的。
不,我在撒谎。
其实还有很多,但是我可不想吓着你。
我们这里只讲两种。
除了这些,我打算另外介绍的"RawSockets"也是非常强大的,很值得查阅。
那么这两种类型是什么呢?
一种是"StreamSockets"(流格式),另外一种是"DatagramSockets"(数据包格式)。
我们以后谈到它们的时候也会用到"SOCK_STREAM"和"SOCK_DGRAM"。
数据报套接字有时也叫“无连接套接字”(如果你确实要连接的时候可以用connect()。
)流式套接字是可靠的双向通讯的数据流。
如果你向套接字按顺序输出“1,2”,那么它们将按顺序“1,2”到达另一边。
它们是无错误的传递的,有自己的错误控制,在此不讨论。
有什么在使用流式套接字?
你可能听说过telnet,不是吗?
它就使用流式套接字。
你需要你所输入的字符按顺序到达,不是吗?
同样,WWW浏览器使用的HTTP协议也使用它们来下载页面。
实际上,当你通过端口80telnet到一个WWW站点,然后输入“GETpagename”的时候,你也可以得到HTML的内容。
为什么流式套接字可以达到高质量的数据传输?
这是因为它使用了“传输控制协议(TheTransmissionControlProtocol)”,也叫“TCP”(请参考RFC-793获得详细资料。
)TCP控制你的数据按顺序到达并且没有错
误。
你也许听到“TCP”是因为听到过“TCP/IP”。
这里的IP是指“Internet协议”(请参考RFC-791。
)IP只是处理Internet路由而已。
那么数据报套接字呢?
为什么它叫无连接呢?
为什么它是不可靠的呢?
有这样的一些事实:
如果你发送一个数据报,它可能会到达,它可能次序颠倒了。
如果它到达,那么在这个包的内部是无错误的。
数据报也使用IP作路由,但是它不使用TCP。
它使用“用户数据报协议(UserDatagramProtocol)”,也叫“UDP”(请参考RFC-768。
)
为什么它们是无连接的呢?
主要是因为它并不象流式套接字那样维持一个连接。
你只要建立一个包,构造一个有目标信息的IP头,然后发出去。
无需连接。
它们通常使用于传输包-包信息。
简单的应用程序有:
tftp,bootp等等。
你也许会想:
“假如数据丢失了这些程序如何正常工作?
”我的朋友,每个程序在UDP上有自己的协议。
例如,tftp协议每发出的一个被接受到包,收到者必须发回一个包来说“我收到了!
”(一个“命令正确应答”也叫“ACK”包)。
如果在一定时间内(例如5秒),发送方没有收到应答,它将重新发送,直到得到ACK。
这一ACK过程在实现SOCK_DGRAM应用程序的时候非常重要。
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网络理论
既然我刚才提到了协议层,那么现在是讨论网络究竟如何工作和一些关于SOCK_DGRAM包是如何建立的例子。
当然,你也可以跳过这一段,如果你认为已经熟悉的话。
现在是学习数据封装(DataEncapsulation)的时候了!
它非常非常重要。
它重要性重要到你在网络课程学(图1:
数据封装)习中无论如何也得也得掌握它。
主要的内容是:
一个包,先是被第一个协议(在这里是TFTP)在它的报头(也许是报尾)包装(“封装”),然后,整个数据(包括TFTP头)被另外一个协议(在这里是UDP)封装,然后下一个(IP),一直重复下去,直到硬件(物理)层(这里是以太网)。
当另外一台机器接收到包,硬件先剥去以太网头,内核剥去IP和UDP头,TFTP程序再剥去TFTP头,最后得到数据。
现在我们终于讲到声名狼藉的网络分层模型(LayeredNetworkModel)。
这种网络模型在描述网络系统上相对其它模型有很多优点。
例如,你可以写一个套接字程序而不用关心数据的物理传输(串行口,以太网,连接单元接口(AUI)还是其它介质),因为底层的程序会为你处理它们。
实际的网络硬件和拓扑对于程序员来说是透明的。
不说其它废话了,我现在列出整个层次模型。
如果你要参加网络考试,可一定要记住:
应用层(Application)
表示层(Presentation)
会话层(Session)
传输层(Transport)
网络层(Network)
数据链路层(DataLink)
物理层(Physical)
物理层是硬件(串口,以太网等等)。
应用层是和硬件层相隔最远的--它是用户和网络交互的地方。
这个模型如此通用,如果你想,你可以把它作为修车指南。
把它对应到Unix,结果是:
应用层(ApplicationLayer)(telnet,ftp,等等)
传输层(Host-to-HostTransportLayer)(TCP,UDP)
Internet层(InternetLayer)(IP和路由)
网络访问层(NetworkAccessLayer)(网络层,数据链路层和物理层)
现在,你可能看到这些层次如何协调来封装原始的数据了。
看看建立一个简单的数据包有多少工作?
哎呀,你将不得不使用"cat"来建立数据包头!
这仅仅是个玩笑。
对于流式套接字你要作的是send()发送数据。
对于数据报式套接字,你按照你选择的方式封装数据然后使用sendto()。
内核将为你建立传输层和Internet层,硬件完成网络访问层。
这就是现代科技。
现在结束我们的网络理论速成班。
哦,忘记告诉你关于路由的事情了。
但是我不准备谈它,如果你真的关心,那么参考IPRFC。
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结构体
终于谈到编程了。
在这章,我将谈到被套接字用到的各种数据类型。
因为它们中的一些内容很重要了。
首先是简单的一个:
socket描述符。
它是下面的类型:
int
仅仅是一个常见的int。
从现在起,事情变得不可思议了,而你所需做的就是继续看下去。
注意这样的事实:
有两种字节排列顺序:
重要的字节(有时叫"octet",即八位位组)在前面,或者不重要的字节在前面。
前一种叫“网络字节顺序(NetworkByteOrder)”。
有些机器在内部是按照这个顺序储存数据,而另外一些则不然。
当我说某数据必须按照NBO顺序,那么你要调用函数(例如htons())来将它从本机字节顺序(HostByteOrder)转换过来。
如果我没有提到NBO,那么就让它保持本机字节顺序。
我的第一个结构(在这个技术手册TM中)--structsockaddr.。
这个结构为许多类型的套接字储存套接字地址信息:
structsockaddr{
unsignedshortsa_family;/*地址家族,AF_xxx*/
charsa_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structsockaddr,程序员创造了一个并列的结构:
structsockaddr_in("in"代表"Internet"。
)
structsockaddr_in{
shortintsin_family;/*通信类型*/
unsignedshortintsin_port;/*端口*/
structin_addrsin_addr;/*Internet地址*/
unsignedcharsin_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structsockaddr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structsockaddr*,你仍然可以使用structsockaddr_in,并且在最后转换。
同时,注意sin_family和structsockaddr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(NetworkByteOrder)!
你也许会反对道:
"但是,怎么让整个数据结构structin_addrsin_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:
structin_addr,有这样一个联合(unions):
/*Internet地址(一个与历史有关的结构)*/
structin_addr{
unsignedlongs_addr;
};
它曾经是个最坏的联合,但是现在那些日子过去了。
如果你声明"ina"是数据结构structsockaddr_in的实例,那么"ina.sin_addr.s_addr"就储存4字节的IP地址(使用网络字节顺序)。
如果你不幸的系统使用的还是恐怖的联合structin_addr,你还是可以放心4字节的IP地址并且和上面我说的一样(这是因为使用了“#define”。
)
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本机转换
我们现在到了新的章节。
我们曾经讲了很多网络到本机字节顺序的转换,现在可以实践了!
你能够转换两种类型:
short(两个字节)和long(四个字节)。
这个函数对于变量类型unsigned也适用。
假设你想将short从本机字节顺序转换为网络字节顺序。
用"h"表示"本机(host)",接着是"to",然后用"n"表示"网络(network)",最后用"s"表示"short":
h-to-n-s,或者htons()("HosttoNetworkShort")。
太简单了...
如果不是太傻的话,你一定想到了由"n","h","s",和"l"形成的正确组合,例如这里肯定没有stolh()("ShorttoLongHost")函数,不仅在这里没有,所有场合都没有。
但是这里有:
htons()--"HosttoNetworkShort"
htonl()--"HosttoNetworkLong"
ntohs()--"NetworktoHostShort"
ntohl()--"NetworktoHostLong"
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68000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structsockaddr_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。
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IP地址和如何处理它们
现在我们很幸运,因为我们有很多的函数来方便地操作IP地址。
没有必要用手工计算它们,也没有必要用"<<"操作来储存成长整字型。
首先,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()。
我们现在发现上面的代码片断不是十分完整的,因为它没有错误检查。
显而易见,当inet_addr()发生错误时返回-1。
记住这些二进制数字?
(无符号数)-1仅仅和IP地址255.255.255.255相符合!
这可是广播地址!
大错特错!
记住要先进行错误检查。
好了,现在你可以将IP地址转换成长整型了。
有没有其相反的方法呢?
它可以将一个in_addr结构体输出成点数格式?
这样的话,你就要用到函数inet_ntoa()("ntoa"的含义是"networktoascii"),就像这样:
printf("%s",inet_ntoa(ina.sin_addr));
它将输出IP地址。
需要注意的是inet_ntoa()将结构体in-addr作为一个参数,不是长整形。
同样需要注意的是它返回的是一个指向一个字符的指针。
它是一个由inet_ntoa()控制的静态的固定的指针,所以每次调用inet_ntoa(),它就将覆盖上次调用时所得的IP地址。
例如:
char*a1,*a2;
.
.
a1=inet_ntoa(ina1.sin_addr);/*这是198.92.129.1*/
a2=inet_ntoa(ina2.sin_addr);/*这是132.241.5.10*/
printf("address1:
%s\n",a1);
printf("address2:
%s\n",a2);
输出如下:
address1:
132.241.5.10
address2:
132.241.5.10
假如你需要保存这个IP地址,使用strcopy()函数来指向你自己的字符指针。
上面就是关于这个主题的介绍。
稍后,你将学习将一个类似"wintehouse.gov"的字符串转换成它所对应的IP地址(查阅域名服务,稍后)。
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socket()函数
我想我不能再不提这个了-下面我将讨论一下socket()系统调用。
下面是详细介绍:
#include
#include
intsocket(intdomain,inttype,intprotocol);
但是它们的参数是什么?
首先,domain应该设置成"AF_INET",就象上面的数据结构structsockaddr_in中一样。
然后,参数type告诉内核是SOCK_STREAM类型还是SOCK_DGRAM类型。
最后,把protocol设置为"0"。
(注意:
有很多种domain、type,我不可能一一列出了,请看socket()的man帮助。
当然,还有一个"更好"的方式去得到protocol。
同时请查阅getprotobyname()的man帮助。
)
socket()只是返回你以后在系统调用种可能用到的socket描述符,或者在错误的时候返回-1。
全局变量errno中将储存返回的错误值。
(请参考perror()的man帮助。
)
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bind()函数
一旦你有一个套接字,你可能要将套接字和机器上的一定的端口关联起来。
(如果你想用listen()来侦听一定端口的数据,这是必要一步--MUD告诉你说用命令"telnetx.y.z6969"。
)如果你只想用connect(),那么这个步骤没有必要。
但是无论如何,请继续读下去。
这里是系统调用bind()的大概:
#include
#include
intbind(intsockfd,structsockaddr*my_addr,intaddrlen);
sockfd是调用socket返回的文件描述符。
my_addr是指向数据结构structsockaddr的指针,它保存你的地址(即端口和IP地址)信息。
addrlen设置为sizeof(structsockaddr)。
简单得很不是吗?
再看看例子:
#include
#include
#include
#defineMYPORT3490
main()
{
intsockfd;
structsockaddr_inmy_addr;
sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/*需要错误检查*/
my_addr.sin_family=AF_INET;/*hostbyteorder*/
my_addr.sin_port=htons(MYPORT);/*short,networkbyteorder
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