c语言SOCKET编程指南-.pdf
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1、介绍Socket 编程让你沮丧吗?从man pages 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。-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。-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
2、成功编译过。但是注意,并不是每个代码片段都独立测试过。-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
3、报套接字Socket 22)阻塞23)select()-多路同步 I/O 24)参考资料-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(file descriptor)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
4、,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(socket descriptor),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
5、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DARPA Internet 地址(Internet 套接字),本地节点的路径名(Unix 套接字),CCITT X.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。-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Raw Sockets 也是非常强大的,很值得查阅。
6、那么这两种类型是什么呢?一种是Stream Sockets(流格式),另外一种是Datagram Sockets(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
7、,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80 telnet 到一个WWW 站点,然后输入“GET pagename”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(The Transmission Control Protocol)”,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
8、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(User Datagram Protocol)”,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
9、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。-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(Dat
10、a Encapsulation)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(Layered Network Model)。这种网络模型在描述网络系
11、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(Data Link)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
12、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(Application Layer)(telnet,ftp,等等)传输层(Host-to-Host Transport Layer)(TCP,UDP)Internet层(Internet Layer)(IP和路由)网络访问层(Network Access Layer)(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
13、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IP RFC。-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
14、字节顺序(Network Byte Order)”。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(Host Byte Order)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)-struct sockaddr.。这个结构为许多类型的套接字储存套接字地址信息:struct sockaddr unsigned short sa_family;/*地址家族,AF_xxx*/char sa_data14;/*14字节协议地址*/;sa_family
15、 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 struct sockaddr,程序员创造了一个并列的结构:struct sockaddr_in(in 代表 Internet。)struct sockaddr_in short int sin_family;/*通信类型*/unsigned short int sin_port;/*端口*/struct in_addr sin_addr;/*Internet 地址*/unsigned char sin_zero8;/*与 sockaddr结构的长度相同*/
16、;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struct sockaddr 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struct sockaddr*,你仍然可以使用struct sockaddr_in,并且在最后转换。同时,注意sin_family 和 struct sockaddr 中的sa_family 一致并能够设置为AF_INET。最后,sin_port 和 s
17、in_addr 必须是网络字节顺序(Network Byte Order)!你也许会反对道:但是,怎么让整个数据结构struct in_addr sin_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:struct in_addr,有这样一个联合(unions):/*Internet 地址(一个与历史有关的结构)*/struct in_addr unsigned long s_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struct sockaddr_in 的实例,那么ina.sin_addr.s_addr 就储存4
18、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struct in_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”。)-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()
19、(Host to Network Short)。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()(Short to Long Host)函数,不仅在这里没有,所有场合都没有。但是这里有:htons()-Host to Network Short htonl()-Host to Network Long ntohs()-Network to Host Short ntohl()-Network to Host Long 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
20、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struct sockaddr_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(
21、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。-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
22、,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network to ascii),就像这样:printf(%
23、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(address 1:%sn,a1
24、);printf(address 2:%sn,a2);输出如下:address 1:132.241.5.10 address 2:132.241.5.10 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)。-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 int socket(int domain,int type,int protocol);
25、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struct sockaddr_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
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