socket通信
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– socket简介
– socket操作API函数
– 代码实现
socket简介
网络层的”ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的”端口”可以唯一标识主机中的应用程(进程）。这样利用三元组（ ip地址,协议, 端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说”一切皆socket”。TCP/IP协议族包括传输层、网络层、链路层，而socket所在位置如图， Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层
Socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是”一切皆文件”。在许多操作系统中，套接字API最初是作为UNIX操作系统的一部分而开发的，所以套接字API与系统的其他I/O设备集成在一起。应用程序要为因特网通信而创建一个套接字（socket）时，操作系统就返回一个小整数作为描述符（descriptor）来标识这个套接字。然后应用程序以该描述符作为传递参数，通过调用相应函数（如read、write、close等）来完成某种操作（如从套接字中读取或写入数据）。
在生活中，A要电话给B，A拨号，B听到电话铃声后提起电话，这时A和B就建立起了连接，A和B就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 打电话很简单解释了这工作原理：”open—write/read—close”模式。下面是网络socket通信的基本流程
; socket操作API函数
socket函数
int socket(int domain,int type,int protocol);
参数:
domain：指定发送通信的域
可取值：AF_UNIX：本地主机通信，与IPC类似
AF_INET：Internet地址IPV4协议
AF_INET6：Internet地址IPV6协议
type：指定socket类型
可取值：SOCK_STREAM(流套接字)、SOCK_DGRAM(数据报套接字)、SOCK_RAW(原始套接字)
protocol：指定该套接字描述符上的一个特殊的协议，如TCP，UDP等，一般设为0,会自动选择type的类型对应的协议
返回值：
成功：返回创建的套接字描述符
失败：-1
补充：SOCK_STREAM(流套接字)应用TCP协议，提供顺序的，可靠的，基于字节流的双向链接
SOCK_DGRAM(数据报套接字)应用UDP协议，无链接，不可靠，不固定
SOCK_RAW(原始套接字)提供访问互联网协议和Internal Network Interfaces的权限，只有超级用户才可使用。
connect函数
TCP客户端程序调用socket创建socket_fd后,在调用connect函数来连接服务器.如果客户端这时调用connect函数发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求并使accept函数返回，accept函数返回的新的文件描述符就是对应到该客户的TCP连接，通过这两个文件描述符(客户端connect的fd和服务器端accept返回的fd)就可以实现客户端和服务器端的相互通信。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数
sockfd: 客户端的socket()创建的描述字
addr: 要连接的服务器的socket地址信息，这里面包含有服务器的IP地址和端口等信息
addrlen: socket地址的长度
在调用connect函数之前,还需要设置服务器的ip地址,端口信息到addr去.
memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
inet_aton(SERVER_IP,&serv_addr.sin_addr);
rv = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr));
if(rv < 0)
{
printf("Failed to connect server:%s\n",SERVER_IP,SERVER_PORT,strerror(errno));
return -2;
}
printf("Connecting to the server[%s:%d] successfully\n",SERVER_IP,SERVER_PORT);
bind函数
调用socket创建socket时,返回的socket描述字存在于协议族空间中,但是没有这个具体的地址,如果想要给它赋值一个地址,就必须调用bind函数.通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，由系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen函数之前会调用bind函数，而客户端就不会调用，而是在connect函数时由系统随机生成一个。当然客户端也可以在调用connect函数之前bind一个地址和端口，这样就能使用特定的IP和端口来连服务器了。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数
sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，但最终都会强制转换后赋值给sockaddr这种类型的指针传给内核
addrlen：对应的是addr的长度。
在调用bind函数之前,还需要设置客户端的ip地址,端口信息到addr去.
memset(&serv_addr,0 ,sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(LISTEN_PORT);
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
if(bind(socket_fd,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr))<0)
{
printf("create socket failure:%s\n",strerror(errno));
return -2;
}
printf("socket[%d] bind on port [%d] for all ip address ok\n",socket_fd,LISTEN_PORT);
通用套接字sockaddr类型定义
typedef unsigned short int sa_family_t;
struct sockaddr
{
sa_family_t sa_family;
char sa_data[14];
}
IPv4的套接字sockaddr_in类型定义
typedef unsigned short sa_family_t;
typedef uint16_t in_port_t;
struct in_addr
{
uint32_t s_addr;
};
struct sockaddr_in
{
sa_family_t sin_family;
in_port_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;
unsigned char sin_zero[8];
};
IPv6的套接字sockaddr_in6类型定义
typedef unsigned short sa_family_t;
typedef uint16_t in_port_t;
struct in6_addr
{
union
{
uint8_t __u6_addr8[16];
uint16_t __u6_addr16[8];
uint32_t __u6_addr32[4];
} __in6_u;
}
struct sockaddr_in6 {
sa_family_t sin6_family;
in_port_t sin6_port;
uint32_t sin6_flowinfo;
struct in6_addr sin6_addr;
uint32_t sin6_scope_id;
};
Unix域对应的sockaddr_un类型定义
#define UNIX_PATH_MAX 108
struct sockaddr_un
{
sa_family_t sun_family;
char sun_path[UNIX_PATH_MAX];
};
listen函数
int listen(int sockfd, int backlog);
参数
sockefd: socket()系统调用创建的要监听的socket描述字
backlog: 相应socket可以在内核里排队的最大连接个数
accept函数
TCP服务器端依次调用socket函数、bind函数、listen函数之后，就会监听指定的socket地址了。服务器之后就会调用accpet函数接受来自客户端的连接请求，这个函数默认是一个 阻塞函数，这也意味着如果没有客户端连接服务器的话该程序将 一直阻塞着不会返回，直到有一个客户端连过来为止。一旦客户端调用connect函数就会触发服务器的accept函数返回，这时整个TCP链接就建立好了。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
参数
sockfd: 服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；
addr： 用于返回客户端的协议地址，这个地址里包含有客户端的IP和端口信息等；
addrlen: 返回客户端协议地址的长度
例如代码
client_fd = accept(socket_fd,(struct sockaddr*)&cli_addr,&cliaddr_len);
if(client_fd <0)
{
printf("accept new socket failure :%s\n",strerror(errno));
return -2;
}
printf("accept new client[%s:%d] wlth fd [%d]\n",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr),ntohs(cli_addr.sin_port),client_fd);
accept函数的返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字(fd)，代表与返回客户的TCP连接。如果想发送数据给该客户端，则我们可以调用write()等函数往该fd里写内容即可；而如果想从该客户端读内容则调用read()等函数从该fd里读数据即可。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个新的socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，就应当把该客户端相应的的socket描述字关闭。
htons/htonl函数
意思就是把 主机字节序(小端字节序)改为 网络字节序(大端字节序)
最常见的有两种
1． Little endian：将低序字节存储在起始地址
2． Big endian：将高序字节存储在起始地址
htons:host network short(2字节/16位) ,端口号16位
htonl:host network long(4字节/32位),IP地址32位
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
参数
htonl把端口号主机字节序转换为网络字节序
htons把ip地址主机主机序转换为网络字节序
ntohl将无符号转换整数从网络字节顺序到主机字节顺序
ntohs将无符号转换短字符从网络字节顺序到主机字节顺序
INADDR_ANY指定地址为0.0.0.0地址,表示监听所有的IP地址
hostlong:主机字节顺序表达的32位数
hostshort:主机字节顺序表达的16位数
netlong:一个以网络字节顺序表达的32位数
netshort:一个以网络字节顺序表达的16位数
serv_addr.sin_port = htons(LISTEN_PORT);
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
以IP地址127.0.0.1为例
第一步 127 . 0 . 0 . 1 把IP地址每一部分转换为8位的二进制数。
第二步 01111111.00000000.00000000.00000001 = 2130706433 （主机字节序）
然后把上面的四部分二进制数从右往左按部分重新排列，那就变为：
第三步 00000001.00000000.00000000.01111111 = 16777343 （网络字节序）
以端口12345为例
第一步 00110000 00111001 = 12345 （主机字节序）
端口号其实就已经是主机字节序了，首先要把端口号写为16位的二进制数
第二步 00111001 00110000 = 14640 （网络字节序）
然后把主机字节序的前八位与后八位调换位置组成新的16位二进制数，这新的16位二进制数就是网络字节序的二进制表示了
因此，如果知道12345端口的网络字节序是14640的话serv_addr.sin_port=htons(12345)可以直接写为 serv_addr.sin_port = htons(14604) 结果是一样的， htons的作用就是把端口号主机字节序转换为网络字节序。
inet_aton和inet_ntoa函数
inet_aton函数将点十进制字符串转换成网络地址 inet_ntoa函数将网络地址转换成点十进制字符串格式
int inet_aton(const char *string, struct in_addr *addr);
将字符串表示的网络地址转换为该地址数值的整数表示，返回的数字总是按照网络字节顺序的
参数描述：
输入参数string包含ASCII表示的IP地址。
输出参数addr是将要用新的IP地址更新的结构。
返回值：
如果这个函数成功，函数的返回值非零。如果输入地址不正确则会返回零。
使用这个函数并没有错误码存放在errno中，所以他的值会被忽略
char *inet_ntoa(struct in_addr in)
将网络传输的二进制数值转化为成点分十进制的ip地址
返回指向点分十进制字符串的指针。
该函数将一个网络字节顺序的IP地址转换为它所对应的点分十进制串。
注意：对inet_aton的调用传递的是指向结构的指针，而对inet_ntoa的调用传递的是结构本身。
inet_pton/inet_ntop函数
inet_pton:
IP地址转换函数,支持IPv4/IPv6，可以在将IP地址从”点分十进制”转换成网络字节顺序表示Internet地址。
inet_ntop:
IP地址转换函数,支持IPv4/IPv6，可以在将网络字节顺序表示的Internet地址转换成为”点分十进制”
nt inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
例如
inet_pton(AF_INET, "172.20.223.151", &servaddr.sin_addr);
参数
af:可以是AF_INET（对应的是ipv4）或AF_INET6(ipv6)，如果,以不被支持的地址族作为family参数，
这两个函数都返回一个错误，并将errno置为EAFNOSUPPORT.
src:是一个指向点分十进制串的指针，
dst:是一个指向转换后的网络字节序的二进制值的指针。
返回值
若成功则为1，若输入不是有效的表达式则为0，若出错则为-1，并将errno置为EAFNOSUPPORT.
const char *inet_ntop(int af, const void *src,char *dst, socklen_t size);
例如
inet_ntop(AF_INET, &servaddr.sin_addr, IPdotdec, 16);
参数
af:可以是AF_INET（对应的是ipv4）或AF_INET6(ipv6)，如果,以不被支持的地址族作为family参数，这两个函数都返回一个错误，并将errno置为EAFNOSUPPORT.
src:是一个指向点分十进制串的指针，
dst:参数不可以是一个空指针。调用者必须为目标存储单元分配内存并指定其大小，调用成功时，这个指针就是该函数的返回值。
size:他是所指向缓存区dst的大小，避免溢出，如果缓存区太小无法存储地址的值，则返回一个空指针，并将errno置为ENOSPC
read函数
ssize_t read(int fd , void *buf,size_t nbytes)
参数：
sockfd：与远程通信连接的套接字描述符
buf：接收数据的缓冲区地址
len：缓冲区长度
read函数是负责从fd中读取内容。当读成功时read返回实际所读的字节数；如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，如果是网络socke fd也就意味着TCP 链接断开了；小于0表示出现了错误并设置错误标志到errno全局变量中，如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果ECONNREST表示网络连接出了问题
write函数
ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);
args:
int fildes : 写入文件的文件描述符
const void *buf: 写入数据在内存空间存储的地址
size_t nbyte : 期待写入数据的最大字节数
write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节 数。失败时返回-1，并设置errno变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。write的返回值大于0，表示写了部分或者全部的数据。返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示 网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。
网络I/O操作函数有下面几组：具体参见man文档
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr,socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags，struct sockaddr *src_addr, socklen_t*addrlen);
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
close/shutdown函数
在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用close函数来关闭一样。close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程
int close(int fd);
int shutdown(int sockfd, int how);
参数
fd:要关闭的文件
how:值为 SHUT_RD 则该套接字不可再读入数据了
SHUT_WR 则该套接字不可再发送数据了
SHUT_RDWR 则该套接字既不可以读，也不可以写数据了
代码实现
客户端代码
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 12345
#define MSG_STR "Hello beautiful world"
int main (int argc, char **argv)
{
int sockfd = -1;
int rv = -1;
struct sockaddr_in serv_addr;
char buf[1024];
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sockfd < 0)
{
printf("Create sockte failure:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
printf("Create sockte [%d] successful!\n",sockfd);
memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
inet_aton(SERVER_IP,&serv_addr.sin_addr);
rv = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr));
if(rv < 0)
{
printf("Failed to connect server:%s\n",SERVER_IP,SERVER_PORT,strerror(errno));
return -2;
}
printf("Connecting to the server[%s:%d] successfully\n",SERVER_IP,SERVER_PORT);
while(1)
{
rv = write(sockfd,MSG_STR,strlen(MSG_STR));
if(rv < 0)
{
printf("Write to server[%d] successfully:%s\n",sockfd,strerror(errno));
break;
}
memset(buf,0,sizeof(buf));
rv = read(sockfd,buf,sizeof(buf));
if(rv <0 )
{
printf("Failed to read data server:%s\n",strerror(errno));
break;
}
else if(0==rv)
{
printf("Connecting to the server:'%s'\n",rv,buf);
break;
}
printf("read %d bytes bata from server:'%s'\n",rv,buf);
}
close(sockfd);
return 0;
}
服务器端代码
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define LISTEN_PORT 12345
#define BACKLOG 8
int main (int argc, char **argv)
{
int rv = -1;
int socket_fd = -1;
int client_fd = -1;
struct sockaddr_in serv_addr;
struct sockaddr_in cli_addr;
socklen_t cliaddr_len;
char buf[1024];
int on = 1;
socket_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(socket_fd < 0)
{
printf("create socket failure:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
printf("socket create fd[%d]\n",socket_fd);
setsockopt(socket_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));
memset(&serv_addr,0 ,sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(LISTEN_PORT);
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
if(bind(socket_fd,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr))<0)
{
printf("create socket failure:%s\n",strerror(errno));
return -2;
}
printf("socket[%d] bind on port [%d] for all ip address ok\n",socket_fd,LISTEN_PORT);
listen(socket_fd,BACKLOG);
while(1)
{
printf("\n start wainting and accept new client connect.... \n",socket_fd);
client_fd = accept(socket_fd,(struct sockaddr*)&cli_addr,&cliaddr_len);
if(client_fd <0)
{
printf("accept new socket failure :%s\n",strerror(errno));
return -2;
}
printf("accept new client[%s:%d] wlth fd [%d]\n",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr),ntohs(cli_addr.sin_port),client_fd);
memset(buf, 0 ,sizeof(buf));
rv = read(client_fd,buf,sizeof(buf));
if(rv < 0)
{
printf("read data from client socket[%d] failure:%s\n",client_fd ,strerror(errno));
close(client_fd);
continue;
}
else if(rv == 0)
{
printf("client socket[%d] disconnected\n",client_fd);
close(client_fd);
continue;
}
printf("read %d bytes bata from client[%d] and echo it back :'%s'\n",rv ,client_fd,buf);
rv = write(client_fd,buf,rv);
if(rv < 0)
{
printf("write %d bytes data back to client[%d] failure:%s\n",rv ,client_fd,strerror(errno));
close(client_fd);
}
printf("close client socket[%d]\n",client_fd);
}
close(client_fd);
close(socket_fd);
return 0;
}
Original: https://www.cnblogs.com/Ye-Wei/p/16728610.html
Author: 西故黄鹤楼
Title: 【Linux】socket通信编程
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