liunx 套接字编程(Linux_C++)

网络中的进程是如何通讯的?

在网络中进程之间进行通讯的时候,那么每一个通讯的进程必须知道它要和哪一个计算机上的哪一个进程通讯.不然通讯无从谈起！在本地能够经过进程PID来惟一标识一个进程,可是在网络中这是行不通的.其实TCP/IP协议族已经帮咱们解决了这个问题,网络层的“ip地址”能够惟一标识网络中的主机,而传输层的“协议+端口”能够惟一标识主机中的应用程序(进程).这样利用三元组(ip地址,协议,端口)就能够标识网络的进程了,网络中的进程通讯就能够利用这个标志与其它进程进行交互.

什么是套接字?

套接字是做为4BDS UNIX的进程通讯机制,它用于描述 IP 地址和端口,是一个用于通讯链接的文件描述符.举个例子来讲.套接字就好像是银行的服务窗口.而后每一个服务窗口上面都有一个标号(对应套接字的 IP 地址),而后银行又有规定标号为多少的窗口提供什么服务,标号为窗口提供什么服务(窗口标号就相似套接字中记录的 IP 地址,服务就相似着套接字的端口号),那么客户就能够根据这个窗口标号去请求所须要的服务.

在 socket 中是怎么作到对另外一个套接字链接的

首先很明显,上面一直在强调两个进程在进行与网络通讯的时候,两个进程都必须知道对方是谁(经过"ip地址+端口"),不然就没法进行通讯,能够设想下你写了封信给你的朋友小明,那么你忘了写寄信地址和寄信人.那么你把这份信寄了.而后你就开始等待小明的回信,那么小明就算收到信了也不知道这封信是谁寄的和该把回复信寄给谁.那么你能收到回信么?

可是有时候你在写通讯时候好比 tcp 的客户端,你发现你没有对套接字进行地址绑定也依旧能够和服务器通讯,那这又是为何?由于操做系统帮你作了这件事,操做系统在发现你没有将一个套接字绑定到对应的 ip 地址和端口号而调用 listen 和connect 的时候.那么它会自动给你分配 IP 地址和端口号.接着上面那个寄信的例子,假设你在寄信的时候是托给个朋友帮你寄.那么这个好心的朋友发现了你犯的这个粗心的错误.那么他便把在寄信人和寄信地址处填写上了你的名字和你的地址,那么小明就能够和你正常通讯了.

既然这为何服务器还要大费周章的去对一个监听端口进行地址绑定呢?咱们仍是用上面那个寄信的例子来讲,假设你颇有钱,有三套房子(即服务器对应三个 IP),你依旧没有写寄信人和寄信地址.那么你虽然托朋友给你寄,可是你这个朋友也不肯定你如今住那套房子里,那么他便把这个三个地址之中的一个地址填了上去.而偏偏很不幸的是你已近好久没有住那套房子了.那么小明即便回复了你的信,你也可能收不到信了.因此服务器必需要对监听套接字进行地址进行绑定!

什么是大小端

由于计算机内存是以字节(八位)为单位来存储东西的.那么在存储大于一字节的数据时候就会存在一个问题,按什么样的顺序去存放这样的数据,是低位字节排放在内存的低地址端仍是低位字节排放在内存的高地址端.然而这个每每和具体CPU架构有关,而非操做系统.那么首先咱们来讲明下大端模式和小端模式的区别:

• • 小端模式(Little-Endian):    就是低位字节排放在内存的低地址端,高位字节排放在内存的高地址端.(逻辑上的低低高高)
  • 大端模式(Big-Endian):      就是高位字节排放在内存的低地址端,低位字节排放在内存的高地址端.(像数据流同样填充)

这样也许很差理解那么举个例子来讲.若是将一个 16 位的整数 0x1234 存放到一个短整型变量(short)中,这个短整型变量采用大端或者小端模式在内存中的存储由下表所示.

 

socket 中的 tcp 编程的大体流程

注意问题

1. 大型数据的发送与接收.这里打大型数据指的是大于接收缓冲区或者发送缓冲区的数据.对于这种数据就须要屡次调用 recv 或 send 等等的函数来发送或者接收.
2. TCP 是基于流发送的.因此当间隔很短发送的数据,在服务器中可能所以一次性收到,对此要进行相关处理.
3. 若 TCP 保持长链接的话,要进行检查链接是否存在.常见的方法是用心跳包来检查链接是否存在.
4. 大小端问题.在网络传输数据的时候记得只要超过两字节的二进制数据就要用 htosXX 函数和 stohXX 函数来对数据进行处理,由于在终端平台的大小端问题.可是超过两字节的字符数据不须要注意终端平台大小端问题.在网络中 TCP/IP 各层协议将字节序(网络字节序)定义为Big-Endian
5. 对于为绑定地址和端口的套接字系统会随机分配端口和绑定本机上的 IP 给套接字用.对于因特网域,若是指定IP地址为 INADDR_ANY,套接字端点能够被绑定到全部的系统网络接口.这意味着能够接受到这个系统锁安装的全部网卡的数据包,若是调用 connect 或 listen ,但没有绑定地址到一个套接字,系统会选一个地址并将其绑定到套接字.

地址结构体

IPv4:　　为了使用不一样格式地址可以被传入到套接字函数,地址被转换成通用的地址结构 sockaddr IPv4,在 IPv4 因特网域（AF_INET)中,套接字地址用以下结构 sockaddr_in 表示：

struct in_addr{in_addr_t s_addr;};
struct sockaddr_in{
    sa_family_t sin_family;
    in_port_t  sin_port;
    struct in_addr sin_addr;
};

IPv6:　　在 IPv6 因特网域（AF_INET6）套接字地址用以下结构 sockaddr_in6 表示：

struct in6_addr{
    sa_family_t  sin6_family;
    in_port_t  sin6_port;
    uint32_t sin6_flowinfo;
    struct in6_addr sin6_addr;
    uint32_t  sin6_scope_id;
};

地址查询

经过调用 gethostent 获取主机信息,当 gethostent 返回时,获得一个指向 hostent 结构体指针,该结构体可能包含一个静态的数据缓存区,每次调用 gethostlent 将会覆盖这个缓存区.返回的地址采用网络字节序.相关函数:

• • gethostent
  • sethostent
  • endhostent

相关结构体:

struct hostent{
    char *h_name;
    char **h_aliases;
    char h_addrtype;
    char h_length;
    char **h_addr_list;
...
};

将协议名字和协议号采用如下函数映射

相关函数

• • getprotobyname
  • getprotobynumber
  • getprotoent
  • setprotoent
  • endprotoend

相关结构体 

struct protoent{
    char* p_name;
    char** p_aliases;
    int p_proto;
} 

服务查询

服务是由地址的端口号部分表示的.每一个服务由惟一的熟知的端口号来提供,采用函数 getservbyname 能够将一个服务名字映射到一个端口号,函数getservbyport将一个端口号映射到一个服务器名,或者采用函数 getservent顺序扫描服务数据库.相关函数:

• • getservbyname
  • getservbyport
  • getservent
  • setservent
  • endservent

相关结构体:

struct servent{
    char *s_name;
    char **s_aliases;
    int s_port;
    cjar *s_proto;
};

套接字的经常使用 API

• 建立套接字:　　　　　　　　　　　socket()
  SOCK_RAW 套接字提供一个数据报接口用于直接访问下面的网络层（因特网域中为IP）.使用这个接口时,应用程序负责构造本身的协议首部,这是由于传输协议（TCP和UDP等）被绕过了.当建立一个原始套接字时须要具备超级用户权限,用以防止恶意程序绕过内建安全机制来创造报文.
• 对套接字进行端口和地址的绑定:　　bind()
  bind一些限制
  • 在进程所运行的机器上,制定的地址必须有效,不能制定一个其余机器的地址
  • 地址必须和建立套接字时的地址族所支持的格式相匹配
  • 端口号必须不小与1024,除非该进程具备相应的特权
  • 通常只有套接字端点可以与地址绑定,尽管有些协议能够多重绑定
  假设我服务器绑定的套接字地址为 123.255.1.3 客户端只能从 123.255.1.3 地址创建请求链接请求
• 监听套接字:　　　　　　　　　　　listen() 
• 链接套件子:　　　　　　　　　　　connect() 
  若是套接字描述符处于非阻塞模式下,那么在链接不能立刻创建的时,connect 将会返回 -1,而且将 errno 设为特殊的错误码,EINPROGRESS . 应用程序可使用 select 或 poll 来判断文件描述符什么时候可写,若是可写完成链接.函数 connect 还能够用于无链接的网络服务（SOCK_DGRAM）.若在 SOCK_DGRAM 套接字上调用 connect,全部发送报文目的地址设字为 connect 调用中所制定的那个地址,这样每次传送报文时就不须要在提供地址,另外,仅接受来自指定地址的报文
• 就收请求:　　　　　　　　　　　　accept()
  函数 accept 锁返回的文件描述符是套接字描述符,该描述符链接到调用 connect 的客户端.这个新的套接字描述符和原始套接字（sockfd）具备相同的套接字类型和地址族.传给 accept 的原始套接字没有关联到这个链接,而是继续保持可用状态并接受其余链接请求.若是没有链接请求等待处理,accept会阻塞直到一个请求到来,若是sockfd处于非阻塞模式,accept会返回-1并将errno设置为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK
• 数据通讯:　　　　　　　　　　　　
  • send() \ recv()
  • write() \ read()
  • recvfrom() \ sendto()
• 关闭套接字:　　　　 　　　　　　close()
• 解析主机名和地址:　　　 　　　　gethostbyname()/gethostbyaddr()
• 得到到接字地址getpeername 得到以链接的套接字链接着的对方地址
• getsockname 得到套接字绑定的地址
• 查询/设置套件子选项:　　　　 　　　　getsockopt()/setsockopt()
• 资料
  • 维基百科:http://zh.wikipedia.org/wiki/Socket
  • Linux 经常使用 C 函数: http://net.pku.edu.cn/~yhf/linux_c/

参考资料

• linux socket 编程:http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html
• linux socket 编程之 TCP 与 UDP: http://www.cnblogs.com/magicbox/archive/2012/02/15/2363875.html
• 认识（大端--小端）端模式: http://blog.csdn.net/luckyabcd/article/details/4341873