C++知识分享： Socket 编程详解，万字长文

 

介绍

Socket编程让你沮丧吗？从man pages中很难得到有用的信息吗？你想跟上时代去编Internet相关的程序，但是为你在调用 connect() 前的bind() 的结构而不知所措？等等…

好在我已经将这些事完成了，我将和所有人共享我的知识了。如果你了解 C 语言并想穿过网络编程的沼泽，那么你来对地方了。

读者对象

这个文档是一个指南，而不是参考书。如果你刚开始 socket 编程并想找一本入门书，那么你是我的读者。但这不是一本完全的 socket 编程书。

平台和编译器

这篇文档中的大多数代码都在 Linux 平台PC 上用 GNU 的 gcc 成功编译过。而且它们在 HPUX平台 上用 gcc 也成功编译过。但是注意，并不是每个代码片段都独立测试过。

目录：

1) 什么是套接字？

2) Internet 套接字的两种类型

3) 网络理论

4) 结构体

5) 本机转换

6) IP 地址和如何处理它们

7) socket()函数

8) bind()函数

9) connect()函数

10) listen()函数

11) accept()函数

12) send()和recv()函数

13) sendto()和recvfrom()函数

14) close()和shutdown()函数

15) getpeername()函数

16) gethostname()函数

17) 域名服务（DNS）

18) 客户-服务器背景知识

19) 简单的服务器

20) 简单的客户端

21) 数据报套接字Socket

22) 阻塞

23) select()--多路同步I/O

24) 参考资料

1）什么是 socket？

你经常听到人们谈论着 “socket”，或许你还不知道它的确切含义。现在让我告诉你：它是使用标准Unix 文件描述符 (file descriptor) 和其它程序通讯的方式。 什么？ 你也许听到一些Unix高手(hacker)这样说过：“呀，Unix中的一切就是文件！”那个家伙也许正在说到一个事实：Unix 程序在执行任何形式的 I/O 的时候，程序是在读或者写一个文件描述符。一个文件描述符只是一个和打开的文件相关联的整数。但是(注意后面的话)，这个文件可能是一个网络连接，FIFO，管道，终端，磁盘上的文件或者什么其它的东西。Unix 中所有的东西就是文件！所以，你想和Internet上别的程序通讯的时候，你将要使用到文件描述符。你必须理解刚才的话。现在你脑海中或许冒出这样的念头：“那么我从哪里得到网络通讯的文件描述符呢？”，这个问题无论如何我都要回答：你利用系统调用 socket()，它返回套接字描述符 (socket descriptor)，然后你再通过它来进行send() 和 recv()调用。

“但是...”，你可能有很大的疑惑，“如果它是个文件描述符，那么为什 么不用一般调用read()和write()来进行套接字通讯？”简单的答案是：“你可以使用！”。详细的答案是：“你可以，但是使用send()和recv()让你更好的控制数据传输。”

存在这样一个情况：在我们的世界上，有很多种套接字。有DARPA Internet 地址 (Internet 套接字)，本地节点的路径名 (Unix套接字)，CCITT X.25地址 (你可以将X.25 套接字完全忽略)。也许在你的Unix 机器上还有其它的。我们在这里只讲第一种：Internet 套接字。

2）Internet 套接字的两种类型

什么意思？有两种类型的Internet 套接字？是的。不，我在撒谎。其实还有很多，但是我可不想吓着你。我们这里只讲两种。除了这些, 我打算另外介绍的 "Raw Sockets" 也是非常强大的，很值得查阅。 
那么这两种类型是什么呢？一种是"Stream Sockets"（流格式），另外一种是"Datagram Sockets"（数据包格式）。我们以后谈到它们的时候也会用到 "SOCK_STREAM" 和 "SOCK_DGRAM"。数据报套接字有时也叫“无连接套接字”(如果你确实要连接的时候可以用connect()。) 流式套接字是可靠的双向通讯的数据流。如果你向套接字按顺序输出“1，2”，那么它们将按顺序“1，2”到达另一边。它们是无错误的传递的，有自己的错误控制，在此不讨论。

有什么在使用流式套接字？你可能听说过 telnet，不是吗？它就使用流式套接字。你需要你所输入的字符按顺序到达，不是吗？同样，WWW浏览器使用的 HTTP 协议也使用它们来下载页面。实际上，当你通过端口80 telnet 到一个 WWW 站点，然后输入 “GET pagename” 的时候，你也可以得到 HTML 的内容。为什么流式套接字可以达到高质量的数据传输？这是因为它使用了“传输控制协议 (The Transmission Control Protocol)”，也叫 “TCP” (请参考 RFC-793 获得详细资料。)TCP 控制你的数据按顺序到达并且没有错误。你也许听到 “TCP” 是因为听到过 “TCP/IP”。这里的 IP 是指“Internet 协议”(请参考 RFC-791。) IP只是处理 Internet 路由而已。

那么数据报套接字呢？为什么它叫无连接呢？为什么它是不可靠的呢？有这样的一些事实：如果你发送一个数据报，它可能会到达，它可能次序颠倒了。如果它到达，那么在这个包的内部是无错误的。数据报也使用 IP 作路由，但是它不使用 TCP。它使用“用户数据报协议 (User Datagram Protocol)”，也叫 “UDP” (请参考 RFC-768。)

为什么它们是无连接的呢？主要是因为它并不象流式套接字那样维持一个连接。你只要建立一个包，构造一个有目标信息的IP 头，然后发出去。无需连接。它们通常使用于传输包-包信息。简单的应用程序有：tftp, bootp等等。

你也许会想：“假如数据丢失了这些程序如何正常工作？”我的朋友，每个程序在 UDP 上有自己的协议。例如，tftp 协议每发出的一个被接受到包，收到者必须发回一个包来说“我收到了！” (一个“命令正确应答”也叫“ACK” 包)。如果在一定时间内(例如5秒)，发送方没有收到应答，它将重新发送，直到得到 ACK。这一ACK过程在实现 SOCK_DGRAM 应用程序的时候非常重要。

3）网络理论

既然我刚才提到了协议层，那么现在是讨论网络究竟如何工作和一些 关于 SOCK_DGRAM 包是如何建立的例子。当然，你也可以跳过这一段， 如果你认为已经熟悉的话。

现在是学习数据封装 (Data Encapsulation) 的时候了！它非常非常重要。它重要性重要到你在网络课程学习中无论如何也得也得掌握它（图1：数据封装）。主要 的内容是：一个包，先是被第一个协议(在这里是TFTP )在它的报头（也许 是报尾）包装(“封装”)，然后，整个数据(包括 TFTP 头)被另外一个协议 (在这里是 UDP )封装，然后下一个( IP )，一直重复下去，直到硬件(物理) 层( 这里是以太网 )。 
当另外一台机器接收到包，硬件先剥去以太网头，内核剥去IP和UDP 头，TFTP程序再剥去TFTP头，最后得到数据。

现在我们终于讲到声名狼藉的网络分层模型 (Layered Network Model)。这种网络模型在描述网络系统上相对其它模型有很多优点。例如， 你可以写一个套接字程序而不用关心数据的物理传输(串行口，以太网，连 接单元接口 (AUI) 还是其它介质)，因为底层的程序会为你处理它们。实际 的网络硬件和拓扑对于程序员来说是透明的。

不说其它废话了，我现在列出整个层次模型。如果你要参加网络考试， 可一定要记住：

应用层 (Application)

表示层 (Presentation)

会话层 (Session)

传输层(Transport)

网络层(Network)

数据链路层(Data Link)

物理层(Physical)

物理层是硬件(串口，以太网等等)。应用层是和硬件层相隔最远的--它 是用户和网络交互的地方。 这个模型如此通用，如果你想，你可以把它作为修车指南。把它对应 到 Unix，结果是：

应用层(Application Layer) (telnet, ftp,等等)

传输层(Host-to-Host Transport Layer) (TCP, UDP)

Internet层(Internet Layer) (IP和路由)

网络访问层 (Network Access Layer) (网络层，数据链路层和物理层)

现在，你可能看到这些层次如何协调来封装原始的数据了。

看看建立一个简单的数据包有多少工作？哎呀，你将不得不使用 "cat" 来建立数据包头！这仅仅是个玩笑。对于流式套接字你要作的是 send() 发 送数据。对于数据报式套接字，你按照你选择的方式封装数据然后使用 sendto()。内核将为你建立传输层和 Internet 层，硬件完成网络访问层。 这就是现代科技。 现在结束我们的网络理论速成班。哦，忘记告诉你关于路由的事情了。 但是我不准备谈它，如果你真的关心，那么参考 IP RFC。

4）结构体

终于谈到编程了。在这章，我将谈到被套接字用到的各种数据类型。 因为它们中的一些内容很重要了。

首先是简单的一个：socket描述符。它是下面的类型：

int

仅仅是一个常见的 int。

从现在起，事情变得不可思议了，而你所需做的就是继续看下去。注 意这样的事实：有两种字节排列顺序：重要的字节 (有时叫 "octet"，即八 位位组) 在前面，或者不重要的字节在前面。前一种叫“网络字节顺序 (Network Byte Order)”。有些机器在内部是按照这个顺序储存数据，而另外 一些则不然。当我说某数据必须按照 NBO 顺序，那么你要调用函数(例如 htons() )来将它从本机字节顺序 (Host Byte Order) 转换过来。如果我没有 提到 NBO， 那么就让它保持本机字节顺序。

我的第一个结构(在这个技术手册TM中)--struct sockaddr.。这个结构 为许多类型的套接字储存套接字地址信息：

struct sockaddr {

　　unsigned short sa_family; /* 地址家族, AF_xxx */

　　char sa_data[14]; /*14字节协议地址*/

};

sa_family 能够是各种各样的类型，但是在这篇文章中都是 "AF_INET"。 sa_data包含套接字中的目标地址和端口信息。这好像有点 不明智。

为了处理struct sockaddr，程序员创造了一个并列的结构： struct sockaddr_in ("in" 代表 "Internet"。)

struct sockaddr_in {

　　short int sin_family; /* 通信类型 */

　　unsigned short int sin_port; /* 端口 */

　　struct in_addr sin_addr; /* Internet 地址 */

　　unsigned char sin_zero[8]; /* 与sockaddr结构的长度相同*/

};

用这个数据结构可以轻松处理套接字地址的基本元素。注意 sin_zero (它被加入到这个结构，并且长度和 struct sockaddr 一样) 应该使用函数 bzero() 或 memset() 来全部置零。 同时，这一重要的字节，一个指向 sockaddr_in结构体的指针也可以被指向结构体sockaddr并且代替它。这样的话即使 socket() 想要的是 struct sockaddr *，你仍然可以使用 struct sockaddr_in，并且在最后转换。同时，注意 sin_family 和 struct sockaddr 中的 sa_family 一致并能够设置为 "AF_INET"。最后，sin_port和 sin_addr 必须是网络字节顺序 (Network Byte Order)！

你也许会反对道："但是，怎么让整个数据结构 struct in_addr sin_addr 按照网络字节顺序呢?" 要知道这个问题的答案，我们就要仔细的看一看这 个数据结构： struct in_addr, 有这样一个联合 (unions)：

/* Internet 地址 (一个与历史有关的结构) */

struct in_addr {

　　unsigned long s_addr;

};

它曾经是个最坏的联合，但是现在那些日子过去了。如果你声明 "ina" 是数据结构 stru