服务器编程入门（4）Linux网络编程基础API

 

问题聚焦：

    这节介绍的不仅是网络编程的几个API

    更重要的是，探讨了Linux网络编程基础API与内核中TCP/IP协议族之间的关系。

    这节主要介绍三个方面的内容：套接字（socket地址）API，socket基础API，和网络信息API。

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套接字API

套接字socket：(ip, port)，即IP地址和端口对，唯一地表示了使用该TCP通信的一端。

需要了解：主机字节序和网络字节序。

原因：考虑32位的机器，CPU的累加器一次装载4字节的内容。那么这4字节在内存中的顺序将影响它被累加器装载后的所代表的含义。

分类：

• 大端字节序：“高低，低高”，即，一个整数的高位字节(23~31位)存储在内存的低地址处，低位字节存储在内存的高地址处。
• 小端字节序：“高高，低低”。

主机字节序：小端字节序。

网络字节序：大端字节序。

存在的问题：并不是所有的机器都采用主机字节序。一旦收发双方的字节序不同，必然导致错误的接收。

解决方法：发送端总是把要发送的数据转化成大端字节序，再发送。

注意：即使同一台机器上的两个进程，也要考虑字节序的问题，如一个客户端使用C语言编写，而另一个采用java编写（java虚拟机使用大端字节序）。

Linux提供的转换函数：

#inlcude<netinet/in.h>
unsigned long int htonl( unsigned long int hostlong );
unsigned short int htons( unsigned short int hostshort );
unsigned long int ntohl( unsigned long int netlong );
unsigned short int ntohs( unsigned short int netshort );

通用socket地址（结构体）

#include <bits/socket.h>
struct sockaddr
{
    sa_family_t sa_family;
    char sa_data[14];
}

sa_family_da：地址族类型，与协议族类型对应。取值和对应关系如下图所示：

 

sa_data(char)：存放socket地址。

协议族及其地址值：

 

数组长度有限，所以Linux提供了下面的新的通用socket地址结构体。

#include <bits/socket.h>
struct sockaddr_storage
{
    sa_family_t sa_family;
    unsigned long int __ssalign;
    char __ss_padding[128-sizeof(__ss__align)];
}

__ss__align成员的作用：内存对齐。

专用socket地址

既然有通用socket地址，那么自然就有专用的socket地址。

专用：针对各个协议族的。

分类：

UNIX本地域协议族专用socket地址

#inlcude<sys/un.h>
struct sockaddr_un
{
    sa_family_t sin_family;            /* 地址族：AF_UNIX  */
    char sun_path[108];               /* 文件路径名 */
};

IPv4专用socket地址

#inlcude<sys/un.h>
struct sockaddr_in
{
    sa_family_t sin_family;            /* 地址族：AF_INET  */
    u_int16_t sin_port;
    struct int_addr sin_addr;               /* 文件路径名 */
};
struct in_addr
{
    u_int32_t s_addr;
};

IPv6专用socket地址

#inlcude<sys/un.h>
struct sockaddr_in6
{
    sa_family_t sin6_family;                /* 地址族：AF_INET6*/
    u_int16_t sin_port;                        /* 端口号，要用网络字节序表示 */
    u_int32_t sin6_flowinfo;                /* 流信息，应设置为0  */
    struct int6_addr sin6_addr;           /* IPv6地址结构体 */
    u_int32_t sin6_scope_id;               / * scope Id.，尚处于试验阶段  */
};
struct in_addr
{
    unsigned char sa_addr[16];     /* IPv6地址，要用网络字节序表示  */
};

虽然Linux给我们提供了专用的socket地址，但是，在实际使用时，都要强制转换为通用socket地址类型

因为所有socket编程接口使用的地址参数的类型都是sockaddr。

IP地址转换函数

#include<arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr( const char* strptr );        /* 点分十进制字符串表示的IPv4地址转化为用网络字节序整数表示的IPv4地址。失败时返回INADDR_NONE */
int inet_ation( const char* cp, struct in_addr* inp );        /* 完成和in_addr_t同样的功能，但是将转化结果存储于参数inp指向的地址结构中。 成功时返回1， 失败时返回0 */
char* inet_ntoa( struct in_addr in );        /* inet_ntoa函数将网络字节序整数表示的IPv4地址转化为用点分十进制字符串表示的IPv4地址 */

有一点需要注意，看下面的代码

char* szValue1 = inet_ntoa( "1.2.3.4" );
char* szValue2 = inet_ntoa( "10.194.71.60" );
printf( "address 1: %s\n", szValue1 );
printf( "address 2: %s\n", szValue2 );

//打印结果
address1: 10.194.71.60
address2: 10.194.71.60

原因：inet_ntoa是不可重入的。因为该函数内部用一个固定的静态变量存储结果，函数的返回值指向该内存。每次调用，都是写入相同的静态内存区，所以不可以多次计算。

同时适用于IPv4和IPv6地址的转换函数

#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int af, const char* src, void* dst);
const char* inet_ntop( int af, const void* src, char* dst, socklen, cnt);

函数说明：

inet_pton函数将用字符串表示的IP地址stc（用点分十进制表示的IPv4地址或用十六进制字符串表示的IPv6地址）转换成用网络字节序整数表示的IP地址，并把转换结果可存储与dst指向的内存中。

af: 指定地址族，可以是AF_INET或AF_INET6

inet_pton成功返回1，失败返回0并设置errno

inet_ntop函数进行相反的转换，前三个参数含义与inet_pton的参数相同，最后一个参数cnt指定目标存储单元的大小。

下面的两个宏能帮助我们指定这个大小

#include <netinet/in.h>
#define INET_ADDRSTRLEN 16
#define INET6_ADDRSTRLEN 46

inet_ntop成功时返回目标存储单元的地址，失败则返回NULL并设置errno。 

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创建socket

UNIX/Linux的一个哲学是：所有东西都是文件。socket也不例外，它就是可读、可写、可控制、可关闭的文件描述符。

创建一个socket

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int scoket( int domain, int type, int protocol );

函数说明：

domain: 告诉系统使用哪个底层协议。

type: 指定服务类型。服务类型主要有SOCK_STREAM服务（流服务，使用TCP协议）和SOCK_UGRAM（数据报，使用UDP协议）服务。

         还可以接受两个标志：SOCK_NONBLOCK（将新创建的socket设为非阻塞）和SOCK_CLOEXEC（用fork调用创建子进程时在子进程中关闭该socket）

protocol：在前两个参数构成的协议集合下，再选择一个具体的协议。几乎所有情况，把它设置为0.

成功时返回socket文件描述符，失败则返回-1并设置errno。

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绑定socket

绑定：将一个上面创建的socket与一个具体的socket地址绑定

只有绑定了socket之后，客户端才能知道该如何连接它。

方式：匿名。通常操作系统会自动分配socket地址。

调用：bind

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind( int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen );

函数说明：

将my_addr所指的socket地址分配给未命名的sockfd文件描述符

addrlen：指出该socket地址的长度

成功时返回0，失败时返回-1并设置errno

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监听socket

监听：socket绑定后依然不能马上接受客户连接，我们需要创建一个监听队列以存放待处理的客户连接。

调用：listen

#include <sys/socket.h>
int listen( int sockfd, int backlog );

函数说明：

sockfd：被监听的socket

backlog：提示内核监听队列的最大长度。backlog典型值是5，通常监听队列中完整连接的上限通常币backlog值略大。

成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。

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接受连接

调用：accept

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int accept( int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen );

作用：从listen监听队列中接受一个连接。服务器可以通过读写该socket来与被接受连接对应的客户端通信

函数说明：

sockfd：处于监听状态的socket。

addr：用来获取被接受连接的远端socket地址

addrlen：该socket地址的长度由addrlen指定。

成功返回0，失败返回-1并设置errno。

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发起连接

调用：connect

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int connect( int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen );

函数说明：

sockfd：由socket调用返回一个socket

serv_addr：服务器监听的socket地址

addrlen：指定这个地址的长度

成功时返回0，失败则返回-并设置errno

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关闭连接

关闭：close

#include <unist.h>
int close ( int fd );

函数说明：

fd：待关闭的socket。

注意：

close系统调用并非立即关闭一个连接，而是将fd的引用技术减1，只有当fd的引用计数为0时，才真正关闭连接。

多进程程序中，一次fork调用默认使父进程中打开的socket的引用计数加1，因此我们必须在父进程和子进程两种都对该socket执行close调用才能将该连接关闭

为了避免上面的麻烦，对于无论如何都要立即关闭连接，可以使用下面的调用：、

#include <sys/socket.h>
int shutdown ( int sockfd, int howto );

函数说明

sockfd：等待关闭的socket

howto：决定了shutdown的行为。可选值如下表：

    

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数据读写

用于TCP流数据读写的调用：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv ( int sockfd, void *buf, size_t len, int flags );
ssize_t send ( int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags );

函数说明：

recv读取sockfd上的数据，buf和len参数分别指定读缓冲区的位置和大小，flags一般设置为0。返回0说明连接关闭，返回-1出错并设置errno。

send往sockfd上写入数据，buf和len参数分别指定写缓冲区的位置和大小。成功时返回实际写入的数据的长度，失败则返回-1并设置errno。

flags参数为数据的收发提供了额外的控制。可以自行百度。

用于UDP数据报的读写

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom ( int sockfd, void* buf, size_t len, int flags, struct sockaddr* src_addr, socklen_t* addrlen );
ssize_t sendto ( int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen );

函数说明：

recvfrom读取sockfd上的数据，buf和len参数分别指定读缓冲区的位置和大小。因为UDP通信没有连接的概念，所以我们每次读取数据都需要获取发送端的socket地址，即参数src_addr所指的内容，addrlen参数则指定该地址的长度。

sendto往sockfd上写入数据，buf和len分别指定写缓冲区的位置和大小，dest_addr指定接收端的socket地址，addrlen指定该地址的长度。

通用数据读写函数

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvmsg( int sockfd, struct msghdr* msg, int flags );
ssize_t sendmsg( int sockfd, struct msghdr* msg, int flags );

函数说明：

sockfd：指定被操作的目标sockfd

msg：msghdr结构体类型的指针，定义如下：

 struct msghdr
{
    void* msg_name;                    /* socket地址 */
    socklen_t msg_namelen;        /* socktet地址的长度 */
    struct iovec* msg_iov;             /* 分散的内存块 */
    int msg_iovlen;                        /* 分散的内存块数量 */
    void msg_control;                   /* 指向辅助数据的起始位置 */
    socklen_t msg_controllen;      /* 辅助数据的大小 */
    int msg_flags;                          /* 复制函数中的flags参数，并在调用过程中更新 */
};

struct iovec
{
    void *iov_base;    /* 内存起始地址 */
    size_t iov_len;       /* 这块内存的长度 */
};

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地址信息函数

功能：获取连接的本端socket地址，以及远端的socket地址。

函数：

#include <sys/socket.h>
int getsockname ( int sockfd, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len );    /* 获取sockfd本端socket地址，并将其存储于address参数指定的内存中 */
int getpeername ( int sockfd, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len );    /* 获取sockfd对应的远端socket地址，其参数及返回值的含义与getsockname的参数及返回值相同 */

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socket选项函数

功能：用来读取和设置socket文件描述符属性的方法

函数：

#include <sys/scoket.h>
int getsockopt ( int sockfd, int level, int option_name, void* option_value, socklen_t* restrict option_len );
int setsockopt ( int sockfd, int level, int option_name, const void* option_value, socklen_t option_len);

socket选项表如下，需要的时候请按下表进行搜索：

 

 

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小结：

    这章主要简要介绍了一些Linux网络编程基础的API，主要是提供索引的作用，后面将会通过实际的例子来使用这些API。

参考资料：

《Linux高性能服务器编程》