Linux Socket 网络编程 (IBM网站)第一章

第一章

Socket 是做什么的？
虽然 socket 接口理论上还允许访问除 IP 以外的协议系列，然而在实际上，socket应用程序中使用的每个网络层都将使用 IP。对于本教程来说，我们仅介绍 IPv4；将来 IPv6 也会变得很重要，但是它们在原理是相同的。在传输层，socket 支持两个特殊协议：TCP (transmission control protocol，传输控制协议) 和 UDP (user datagram protocol，用户数据报协议)。

Socket不能用来访问较低（或较高）的网络层。例如，socket 应用程序不知道它是运行在以太网、令牌环网还是拨号连接上。Socket 的伪层（pseudo-layer）也不知道高层协议（比如 NFS、HTTP、FTP等）的任何情况（除非您自己编写一个 socket 应用程序来实现那些高层协议）。

在很多情况下，socket接口并不是用于网络编程 API 的最佳选择。特别地，由于存在很多很优秀的库可以直接使用高层协议，您不必关心 socket 的细节；那些库会为您处理 socket 的细节。例如，虽然编写您自己的 SSH 客户机并没有什么错，但是对于仅只是为了让应用程序安全地传输数据来说，就没有必要做得这样复杂。低级层比 socket 所访问的层更适合归入设备驱动程序编程领域。

IP、TCP 和 UDP
正如上一小节所指出的，当您编写 socket 应用程序的时候，您可以在使用 TCP 还是使用 UDP 之间做出选择。它们都有各自的优点和缺点。

TCP 是流协议，而UDP是数据报协议。换句话说，TCP 在客户机和服务器之间建立持续的开放连接，在该连接的生命期内，字节可以通过该连接写出（并且保证顺序正确）。然而，通过 TCP 写出的字节没有内置的结构，所以需要高层协议在被传输的字节流内部分隔数据记录和字段。

另一方面，UDP 不需要在客户机和服务器之间建立连接，它只是在地址之间传输报文。UDP 的一个很好特性在于它的包是自分隔的（self-delimiting），也就是一个数据报都准确地指出它的开始和结束位置。然而，UDP 的一个可能的缺点在于，它不保证包将会按顺序到达，甚至根本就不保证。当然，建立在 UDP 之上的高层协议可能会提供握手和确认功能。

对于理解 TCP 和 UDP 之间的区别来说，一个有用的类比就是电话呼叫和邮寄信件之间的区别。在呼叫者用铃声通知接收者，并且接收者拿起听筒之前，电话呼叫不是活动的。只要没有一方挂断，该电话信道就保持活动，但是在通话期间，他们可以自由地想说多少就说多少。来自任何一方的谈话都按临时的顺序发生。另一方面，当你发一封信的时候，邮局在投递时既不对接收方是否存在作任何保证，也不对信件投递将花多长时间做出有力保证。接收方可能按与信件的发送顺序不同的顺序接收不同的信件，并且发送方也可能在他们发送信件是交替地接收邮件。与（理想的）邮政服务不同，无法送达的信件总是被送到死信办公室处理，而不再返回给发送者。

对等方、端口、名称和地址
除了 TCP 和 UDP 协议以外，通信一方（客户机或者服务器）还需要知道的关于与之通信的对方机器的两件事情：IP 地址或者端口。IP 地址是一个 32 位的数据值，为了人们好记，一般用圆点分开的 4 组数字的形式来表示，比如：64.41.64.172。端口是一个 16 位的数据值，通常被简单地表示为一个小于 65536 的数字。大多数情况下，该值介于 10 到 100 的范围内。一个 IP 地址获取送到某台机器的一个数据包，而一个端口让机器决定将该数据包交给哪个进程/服务（如果有的话）。这种解释略显简单，但基本思路是正确的。

上面的描述几乎都是正确的，但它也遗漏了一些东西。大多数时候，当人们考虑 Internet 主机（对等方）时，我们都不会记忆诸如 64.41.64.172这样的数字，而是记忆诸如 gnosis.cx 这样的名称。为了找到与某个特定主机名称相关联的 IP 地址，一般都使用域名服务器（DNS），但是有时会首先使用本地查找（经常是通过 /etc/hosts 的内容）。对于本教程，我们将一般地假设有一个 IP 地址可用，不过下一小节将讨论编写名称/地址查找代码。

主机名称解析
在 C 中，标准库调用 gethostbyname() 用于名称查找。下面是 nslookup 的一个简单的命令行工具实现；要改编它以用于大型应用程序是一件简单的事情。当然，使用 C 要比使用 Python 稍微复杂一点。

          /* Bare nslookup utility (w/ minimal error checking) */
          #include <stdio.h>          /* stderr, stdout */
          #include <netdb.h>          /* hostent struct, gethostbyname() */
          #include <arpa/inet.h>      /* inet_ntoa() to format IP address */
          #include <netinet/in.h>     /* in_addr structure */

          int main(int argc, char **argv) {
            struct hostent *host;     /* host information */
            struct in_addr h_addr;    /* Internet address */
            if (argc != 2) {
              fprintf(stderr, "USAGE: nslookup <inet_address>\n");
              exit(1);
            }
            if ((host = gethostbyname(argv[1])) == NULL) {
              fprintf(stderr, "(mini) nslookup failed on '%s'\n", argv[1]);
              exit(1);
            }
            h_addr.s_addr = *((unsigned long *) host->h_addr_list[0]);
            fprintf(stdout, "%s\n", inet_ntoa(h_addr));
            exit(0);
          }
         

注意，gethostbyname() 的返回值是一个 hostent 结构，它描述该名称的主机。该结构的成员 host->h_addr_list 包含一个地址表，其中的每一项都是一个按照“网络字节顺序”排列的 32 位值；换句话说，字节顺序可能是也可能不是机器的本机顺序。为了将这个 32 位值转换成圆点隔开的四组数字的形式，请使用 inet_ntoa() 函数。

编写 socket 客户机的步骤
编写客户机应用程序所涉及的步骤在 TCP 和 UDP 之间稍微有些区别。对于二者来说，您首先都要创建一个 socket；单对 TCP 来说，下一步是建立一个到服务器的连接；向该服务器发送一些数据；然后再将这些数据接收回来；或许发送和接收会在短时间内交替；最后，在 TCP 的情况下，您要关闭连接。

TCP 回显客户机（客户机设置）
首先，我们来看一个 TCP 客户机。在本教程系列的第二部分，我们将做一些调整，用 UDP 来（粗略地）做同样的事情。我们首先来看前面几行：一些 include 语句，以及创建 socket 的语句。

          #include <stdio.h>
          #include <sys/socket.h>
          #include <arpa/inet.h>
          #include <stdlib.h>
          #include <string.h>
          #include <unistd.h>
          #include <netinet/in.h>

          #define BUFFSIZE 32
          void Die(char *mess) { perror(mess); exit(1); }
         

这里没有太多的设置，只是分配了特定的缓冲区大小，它限定了每个过程中回显的数据量（但如果必要的话，我们可以循环通过多个过程）。我们还定义了一个小的错误函数。

TCP 回显客户机（创建 socket）
socket()调用的参数决定了 socket 的类型：PF_INET 只是意味着它使用 IP（您将总是使用它）； SOCK_STREAM 和 IPPROTO_TCP 配合用于创建 TCP socket。

            int main(int argc, char *argv[]) {
            int sock;
            struct sockaddr_in echoserver;
            char buffer[BUFFSIZE];
            unsigned int echolen;
            int received = 0;

            if (argc != 4) {
              fprintf(stderr, "USAGE: TCPecho <server_ip> <word> <port>\n");
              exit(1);
            }
            /* Create the TCP socket */
            if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) {
              Die("Failed to create socket");
            }
         

说返回的值是一个 socket 句柄，它类似于文件句柄。特别地，如果 socket 创建失败，它将返回 -1 而不是正数形式的句柄。

TCP 回显客户机（建立连接）
现在我们已经创建了一个 socket 句柄，还需要建立与服务器的连接。连接需要有一个描述服务器的 sockaddr 结构。特别地，我们需要使用echoserver.sin_addr.s_addr 和 echoserver.sin_port 来指定要连接的服务器和端口。我们正在使用 IP 地址这一事实是通过echoserver.sin_family 来指定的，但它总是被设置为 AF_INET。

            /* Construct the server sockaddr_in structure */
            memset(&echoserver, 0, sizeof(echoserver));       /* Clear struct */
            echoserver.sin_family = AF_INET;                  /* Internet/IP */
            echoserver.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  /* IP address */
            echoserver.sin_port = htons(atoi(argv[3]));       /* server port */
            /* Establish connection */
            if (connect(sock,
                        (struct sockaddr *) &echoserver,
                        sizeof(echoserver)) < 0) {
              Die("Failed to connect with server");
            }
         

与创建 socket 类似，在尝试建立连接时，如果失败，则返回-1，否则 socket 现在就准备好发送或接收数据了。

TCP回显客户机（发送/接收数据）
现在连接已经建立起来，我们准备好可以发送和接收数据了。send() 调用接受套接字句柄本身、要发送的字符串、所发送的字符串的长度（用于验证）和一个标记作为参数。一般情况下，表记的默认值为 0。send() 调用的返回值是成功发送的字节的数目。

            /* Send the word to the server */
            echolen = strlen(argv[2]);
            if (send(sock, argv[2], echolen, 0) != echolen) {
              Die("Mismatch in number of sent bytes");
            }
            /* Receive the word back from the server */
            fprintf(stdout, "Received: ");
            while (received < echolen) {
              int bytes = 0;
              if ((bytes = recv(sock, buffer, BUFFSIZE-1, 0)) < 1) {
                Die("Failed to receive bytes from server");
              }
              received += bytes;
              buffer[bytes] = '\0';        /* Assure null terminated string */
              fprintf(stdout, buffer);
            }
         

rcv() 调用不保证会获得某个特定调用中传输的每个字节。在接收到某些字节之前，它只是处于阻塞状态。所以我们让循环一直进行，直到收回所发送的全部字节。很明显，不同的协议可能决定以不同的方式（或许是字节流中的分隔符）决定何时终止接收字节。

TCP 回显客户机（包装）
对 send() 和 recv() 的调用在默认的情况下都是阻塞的，但是通过改变套接字的选项以允许非阻塞的套接字是可能的。然而，本教程不会介绍创建非阻塞套接字的细节，也不介绍在生产服务器中使用的诸如分支、线程或者一般异步处理（建立在非阻塞套接字基础上）之类的细节。这些问题将在本教程的第二部分介绍。

在这个过程的末尾，我们希望在套接字上调用 close() ，这很像我们对文件句柄所做的那样：

         fprintf(stdout, "\n");
         close(sock);
         exit(0);
       }