【网络编程入门】使用socket在Linux下实现即时通信软件

使用socket在Linux下实现即时通信软件

在前一篇文章中讲到了如何使用winsock:【网络编程入门】在C++中使用Windows TCP Sockets，也算是勉强入门了吧，接下来自己写一下在Linux下的网络编程，也算是把知识理一遍。代码架构参考了实验楼的C++ 实现即时通信软件

介绍

进程、端口、Socket、IP地址

首先我们知道两个进程要通信，必须要求进程有唯一标识，本地进程的通信使用PID作为标识，在Linux下使用ps -A即可查看所有进程的PID，但是在网络通信中PID无法保证唯一，所以前人采用了 IP地址+协议+端口号 来标识网络中的一个进程，那么socket就是用于连接这一标识的具体对象。详见简单理解Socket和维基百科。

当然，一台计算机可以建立多个连接，所以有了端口(port)，可以使用netstat -pan | grep 端口号命令查看占用某端口的进程

一些常见服务使用的端口如下：

端口	服务
7	Ping
13	Time
15	Netstat
22	SSH
23	Telnet
25	SMTP(发邮件)
80	HTTP(网页)
110	POP(收邮件)

IP地址是分配给网络中每台计算机的身份标识，在Linux下可以使用ifconfig来查看。
因为网站使用数字标识不利于人的记忆，所以大佬们提出了“域名”这一解决方案，使用www.baidu.com这样的简易的名称代替IP地址。当我们在浏览器输入这些域名时，将通过路由器查找该域名的IP地址，一旦成功获取（或主机解析完成），浏览器就会连接服务器所在的地址。关于域名解析就不详细说了。

字节顺序

通常，计算机（CPU相关）和网络协议采用的是不同的字节顺序，计算机采用的是小端（Little-Endian）而网络协议采用大端（Big-Endian），具体可以看详解大端模式和小端模式。所以在发送请求前，我们必须对IP地址和端口进行字节顺序的转换，保证字节顺序的一致性。所以我们可以在netinet/in.h中看到这样的宏

# if __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
/* The host byte order is the same as network byte order,
   so these functions are all just identity.  */
# define ntohl(x)   __uint32_identity (x)
# define ntohs(x)   __uint16_identity (x)
# define htonl(x)   __uint32_identity (x)
# define htons(x)   __uint16_identity (x)
# else
#  if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
#   define ntohl(x) __bswap_32 (x)
#   define ntohs(x) __bswap_16 (x)
#   define htonl(x) __bswap_32 (x)
#   define htons(x) __bswap_16 (x)
#  endif
# endif

这里的源码很容易看懂，n:network h:host s:short l:long，htonl()就是计算机->网络协议 long
Linux为我们提供的API如下

/* Functions to convert between host and network byte order.

   Please note that these functions normally take `unsigned long int' or
   `unsigned short int' values as arguments and also return them.  But
   this was a short-sighted decision since on different systems the types
   may have different representations but the values are always the same.  */

extern uint32_t ntohl (uint32_t __netlong) 
     __THROW __attribute__ ((__const__));
extern uint16_t ntohs (uint16_t __netshort)
     __THROW __attribute__ ((__const__));
extern uint32_t htonl (uint32_t __hostlong)
     __THROW __attribute__ ((__const__));
extern uint16_t htons (uint16_t __hostshort)
     __THROW __attribute__ ((__const__));

下面的函数则将IP地址转换为了网络协议的字节顺序

/* Convert Internet host address from numbers-and-dots notation in CP
   into binary data in network byte order.  */
extern in_addr_t inet_addr (const char *__cp) __THROW;

开启Socket

socket()

英语好的直接看这个http://man7.org/linux/man-pages/man2/socket.2.html

/* Create a new socket of type TYPE in domain DOMAIN, using
   protocol PROTOCOL.  If PROTOCOL is zero, one is chosen automatically.
   Returns a file descriptor for the new socket, or -1 for errors.  */
extern int socket (int __domain, int __type, int __protocol) __THROW;

可以看到，socket函数创建成功以后，会返回一个文件描述符，Linux的一大哲学就是一切皆文件，socket也不例外。要创建这个socket，需要传入三个参数

• domain ：协议域，原来的想法是每个通信域（如PF_INET）可能对应多个协议（如AF_INET），而事实上支持多个协议的通信域一直没有实现。因此，在linux内核中，AF_***与PF_***被定义为同一个常数（在socket.h中可以看到），因此，在编程时可以不加区分地使用他们。 所以这个参数直接传 PF_INET就可以了
• type ：socket类型，这里只介绍SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM
  
  • SOCK_STREAM：提供顺序的、可靠的、双向的、基于连接的字节流。这里我们使用TCP，所以选择此类型
  • SOCK_DGRAM：支持数据报（一个固定的最大长度的无连接、不可靠的消息）。对应UDP
• protocol： 协议，就是IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP等，如果使用IPPROTO_IP，就会根据type来自动选择TCP或UDP

了解了这些信息，根据我们的需求，创建socket应该是

int mysock= socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

接下来的步骤则分为服务器端和客户端

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如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，有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之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

bind()

创建完socket，接下来我们要为它绑定IP和端口等信息

/* Give the socket FD the local address ADDR (which is LEN bytes long).  */
extern int bind (int __fd, __CONST_SOCKADDR_ARG __addr, socklen_t __len)
     __THROW;

参数fd就是上一步我们创建socket得到的文件描述符。

第二个参数是一个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，这里我们用的ipv4对应的是：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

结合前面字节顺序的知识，这里我们要创建的sockaddr应该是这样：

    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = PF_INET;
    addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

参数len对应sockaddr的长度，所以要为socket绑定地址只要

bind(mysock,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr))

listen()

/* Prepare to accept connections on socket FD.
   N connection requests will be queued before further requests are refused.
   Returns 0 on success, -1 for errors.  */
extern int listen (int __fd, int __n) __THROW;

参数fd为socket的文件描述符，参数n为允许连接的最大数量。调用listen()后，socket就会变为被动状态，等待客户端的连接请求。

连接服务器端

connect()

待更