【网络编程】Linux网络编程基础与实战第二弹——Socket编程

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Socket编程

套接字概念

Socket本身有“插座”的意思，在Linux环境下，用于表示进程间网络通信的特殊文件类型。本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。

既然是文件，那么理所当然的，我们可以使用文件描述符引用套接字。与管道类似的，Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口，使得读写套接字和读写文件的操作一致。
区别是管道主要应用于本地进程间通信，而套接字多应用于网络进程间数据的传递。

在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。“IP地址+端口号”就对应一个socket。
欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。

套接字通讯原理

在网络通信中，套接字一定是成对出现的。一端的发送缓冲区对应对端的接收缓冲区。我们使用同一个文件描述符索发送缓冲区和接收缓冲区。
TCP/IP协议最早在BSD UNIX上实现，为TCP/IP协议设计的应用层编程接口称为socket API。

网络编程接口

首先先看一下网络套接字的函数以及具体实现流程图：

网络字节序

内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分，磁盘文件中的多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端小端之分。
比如我们知道pc本地存储 计算机采用小端法存储，即高位存高地址 地位存 低地址。
网络数据流同样有大端小端之分，那么如何定义网络数据流的地址呢？
简单来说就是 大端法，即高位存低地址 地位存高地址。
发送主机通常将发送缓冲区中的数据按内存地址从低到高的顺序发出，接收主机把从网络上接到的字节依次保存在接收缓冲区中，也是按内存地址从低到高的顺序保存，因此，网络数据流的地址应这样规定：先发出的数据是低地址，后发出的数据是高地址。
TCP/IP协议规定，网络数据流应采用大端字节序，即低地址高字节。
为使网络程序具有可移植性，使同样的C代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行，可以调用以下库函数做网络字节序和主机字节序的转换。

#include 

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

h表示host，n表示network，l表示32位长整数，s表示16位短整数。
如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回，如果主机是大端字节序，这些函数不做转换，将参数原封不动地返回。
IP地址转换函数
早期：

#include 
#include 
#include 
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

只能处理IPv4的IP地址，不可重入函数
注意参数是struct in_addr
现在：

#include 
	int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
	const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

支持IPv4和IPv6，可重入函数
其中inet_pton和inet_ntop不仅可以转换IPv4的in_addr，还可以转换IPv6的in6_addr。
因此函数接口是void *addrptr。

sockaddr数据结构

strcut sockaddr 很多网络编程函数诞生早于IPv4协议，那时候都使用的是sockaddr结构体,为了向前兼容，现在sockaddr退化成了（void *）的作用，传递一个地址给函数，至于这个函数是sockaddr_in还是sockaddr_in6，由地址族确定，然后函数内部再强制类型转化为所需的地址类型。

sockaddr数据结构

struct sockaddr {
	sa_family_t sa_family; 		/* address family, AF_xxx */
	char sa_data[14];			/* 14 bytes of protocol address */
};

一般其默认的存储位置：/usr/include/linux/in.h 文件中。

struct sockaddr_in {
	__kernel_sa_family_t sin_family; 			/* Address family */  	地址结构类型
	__be16 sin_port;					 		/* Port number */		端口号
	struct in_addr sin_addr;					/* Internet address */	IP地址
	unsigned char __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -
	sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
};

struct in_addr {						/* Internet address. */
	__be32 s_addr;
};

struct sockaddr_in6 {
	unsigned short int sin6_family; 		/* AF_INET6 */
	__be16 sin6_port; 					/* Transport layer port # */
	__be32 sin6_flowinfo; 				/* IPv6 flow information */
	struct in6_addr sin6_addr;			/* IPv6 address */
	__u32 sin6_scope_id; 				/* scope id (new in RFC2553) */
};

struct in6_addr {
	union {
		__u8 u6_addr8[16];
		__be16 u6_addr16[8];
		__be32 u6_addr32[4];
	} in6_u;
	#define s6_addr 		in6_u.u6_addr8
	#define s6_addr16 	in6_u.u6_addr16
	#define s6_addr32	 	in6_u.u6_addr32
};

#define UNIX_PATH_MAX 108
	struct sockaddr_un {
	__kernel_sa_family_t sun_family; 	/* AF_UNIX */
	char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; 	/* pathname */
};

IPv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in结构体表示，包括16位端口号和32位IP地址，IPv6地址用sockaddr_in6结构体表示，包括16位端口号、128位IP地址和一些控制字段。UNIX Domain Socket的地址格式定义在sys/un.h中，用sock-addr_un结构体表示。

在使用时，一定要先初始化sockaddr地址结构。
比如：

struct sockaddr_in addr; //创建对象
//初始化addr
addr.sin_family = AF_INET/AF_INET6;//（ipv4 或ipv6）
addr.sin_port = htons(8088);
addr.sin_addr.S_addr = htonl(INADDR_ANY)
//注意 sin_addr也是一个结构体
//INADDR_ANY是一个宏，用于取出系统中有效的任意IP地址变成二进制类型

各种socket地址结构体的开头都是相同的，前16位表示整个结构体的长度（并不是所有UNIX的实现都有长度字段），后16位表示地址类型。IPv4、IPv6和Unix Domain Socket的地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX。这样，只要取得某种sockaddr结构体的首地址，不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体，就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容。因此，socket API可以接受各种类型的sockaddr结构体指针做参数，例如bind、accept、connect等函数，这些函数的参数应该设计成void *类型以便接受各种类型的指针，但是sock API的实现早于ANSI C标准化，那时还没有void * 类型，因此这些函数的参数都用struct sockaddr *类型表示，在传递参数之前要强制类型转换一下，例如：

struct sockaddr_in servaddr;
bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));		/* initialize servaddr */

socket函数

具体职责：创建一个套接字

#include  /* See NOTES */
#include 
int socket(int domain, int type, int protocol);

domain参数（3选一）：
AF_INET 这是大多数用来产生socket的协议，使用TCP或UDP来传输，用IPv4的地址
AF_INET6 与上面类似，不过是来用IPv6的地址
AF_UNIX 本地协议，使用在Unix和Linux系统上，一般都是当客户端和服务器在同一台及其上的时候使用

type参数（创建时选的协议）：
SOCK_STREAM 这个协议是按照顺序的、可靠的、数据完整的基于字节流的连接。这是一个使用最多的socket类型，这个socket是使用TCP来进行传输。

SOCK_DGRAM 这个协议是无连接的、固定长度的传输调用。该协议是不可靠的，使用UDP来进行它的连接。

SOCK_SEQPACKET该协议是双线路的、可靠的连接，发送固定长度的数据包进行传输。必须把这个包完整的接受才能进行读取。

SOCK_RAW socket类型提供单一的网络访问，这个socket类型使用ICMP公共协议。（ping、traceroute使用该协议）

SOCK_RDM 这个类型是很少使用的，在大部分的操作系统上没有实现，它是提供给数据链路层使用，不保证数据包的顺序

protocol参数:
传0 表示使用默认协议。（根据type 选取TCP/UDP通信）
返回值：
成功：返回指向新创建的socket的文件描述符，失败：返回-1，设置errno

bind函数

具体职责： 给socket绑定一个地址结构

#include  
#include 
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)

;

sockfd ：
socket 函数的返回值

addr参数:
（struct sockaddr * ）& addr—— 强转
必须初始化addr ，与上面初始化代码一样

构造出IP地址加端口号

addrlen参数:
sizeof(addr) 地址结构的大小
返回值：
成功返回0，失败返回-1, 设置errno

服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的，客户端程序得知服务器程序的地址和端口号后就可以向服务器发起连接，因此服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号。
bind()的作用是将参数sockfd和addr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听addr所描述的地址和端口号。

listen函数

具体职责： 设置同时与服务器建立连接的上限数（同时进行3次握手的客户端数量）

#include  /* See NOTES */
#include 
int listen(int sockfd, int backlog);

sockfd:
socket 函数的返回值

backlog:
排队建立3次握手队列和刚刚建立3次握手队列的链接数和（上限数max=128）

典型的服务器程序可以同时服务于多个客户端，当有客户端发起连接时，服务器调用的accept()返回并接受这个连接，如果有大量的客户端发起连接而服务器来不及处理，尚未accept的客户端就处于连接等待状态，listen()声明sockfd处于监听状态，并且最多允许有backlog个客户端处于连接待状态，如果接收到更多的连接请求就忽略。
返回值：成功返回0，失败返回-1，errno。

accept函数

具体职责：阻塞等待客户端建立连接，成功的话 返回一个与客户端成功连接的socket文件标识符

#include  		/* See NOTES */
#include 
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

sockdf :
socket 函数的返回值

addr:
传出参数，返回链接客户端地址信息，含IP地址和端口号

addrlen:
传入传出参数（值-结果）,传入sizeof(addr)大小，函数返回时返回addr实际接收到地址结构体的大小

返回值：
成功返回一个能与服务器进行数据通信的新的socket对应的文件描述符。
失败返回-1，设置errno

connect函数

具体职责：使用现有的socket 与服务器建立连接

#include  					/* See NOTES */
#include 
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

sockdf:
socket 函数的返回值

addr:
传入参数，指定服务器端地址结构

addrlen:
传入参数,传入服务器地址结构sizeof(addr)大小

返回值：
成功返回0，失败返回-1，设置errno