Linux Socket基础介绍

Linux Socket函数库是从Berkeley大学开发的BSD UNIX系统中移植过来的。BSD Socket接口是众多Unix系统中被广泛支持的TCP/IP通信接口，Linux下的Socket程序设计，除了微小的差别之外，也适用于大多数其它Unix系统。

Socket接口是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。

Socket的使用和文件操作比较类似。如同文件的读、写、打开、关闭等操作一样，TCP/IP网络通信同样也有这些操作，不过它使用的接口不是文件描述符或者FILE*，而是一个称做Socket的描述符。类似于文件操作，对于Socket，也通过读、写、打开、关闭操作来进行网络数据传送。同时，还有一些辅助的函数，如域名/IP地址查询、Socket功能设置等。

套接字有三种类型：流式套接字、数据报套接字及原始套接字。

流式套接字定义了一种可靠的面向连接的服务，实现了无差错无重复的顺序数据传输。数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠、无差错。原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP直接访问，主要用于新的网络协议实现的测试等。

套接字工作过程如下：服务器首先启动，通过调用socket()建立一个套接字，然后调用bind()将该套接字和本地网络地址联系在一起，再调用listen()使套接字做好侦听的准备，并规定它的请求队列的长度，之后就调用accept()来接收连接。客户在建立套接字后就可以调用connect()和服务器建立连接。连接一旦建立，客户机和服务器之间就可以通过调用read()和write()来发送和接收数据。最后，待数据传送结束后，双方调用close()关闭套接字。

Socket函数库：

1.        socket(int domain, int type,int protocol):此函数分配一个Socket句柄，用于指定特定网络下，使用特定的协议和数据传送方式进行通信。Socket句柄分配以后，如果要开始TCP通信，还需要建立连接。根据需要，可以主动地建立连接(通过connect())和被动地等待对方建立连接(通过listen())，在连接建立后才能使用读写操作通过网络连接进行数据交换。

domain参数选择通信中使用的协议族，也就是网络的类型，可以是以下之一：(1)、AF_UNIX：UNIX内部协议；(2)、AF_INET：ARPA Internet协议，也就是TCP/IP协议族；(3)、AF_ISO：ISO协议；(4)、AF_NS：Xerox Network Systems协议；(5)、AF_IMPLINK：IMP “host at IMP” link layer。

type参数为数据传送的方式，可以是以下之一：(1)、SOCK_STREAM：保证顺序的、可靠传送的双向字节数据流，最为常用，也是TCP连接所使用的方式；(2)、SOCK_DGRAM：无连接的、不保证可靠的、固定长度(通常很小)的消息传送；(3)、SOCK_SEQPACKET：顺序的、可靠的双向固定长度的数据报传送，只用于AF_NS类型的网络中；(4)、SOCK_RAW：原始的数据传送，适用于系统内部专用的网络协议和接口，和SOCK_RDM一样，只能由超级用户使用；(5)、SOCK_RDM：可靠的数据报传送，未实现。

protocol参数指定通信中使用的协议。在给定Socket的协议族和传送类型之后，一般情况下所使用的协议也就固定下来，此时protocol参数可使用缺省值”0”。但如果还有多个协议供选择，则必须使用protocol参数来标识。

         socket()函数，正常执行时，返回Socket描述符；否则，返回-1，错误状态在全局变量errno中。

2.        close(int fd)：Socket和文件描述符的关闭操作都是使用这个函数。fd参数为Socket描述符。返回值，正常是返回0，-1表示出错。

3.        bind(int sockfd, structsockaddr *my_addr, int addrlen)：此函数给已经打开的Socket指定本地地址。这个函数的使用有以下两种情况：(1)、如果此Socket是面向连接的，而且此Socket在连接建立过程中处于被动的地位，即，乙方程序使用listen函数等待对方建立连接，对方用connect函数来向此Socket建立连接，这种情况下，必须用bind给此Socket设定本地地址。在乙方使用listen函数时，除指定Socket描述符之外，该Socket必须已经用bind函数设定好了本地地址(包括IP地址和端口号)，这样，系统在收到建立连接的网络请求时，才能根据请求的目的地址，识别是通向哪个Socket的连接，从而乙方才能用此Socket接收到发给此Socket地址的数据包。不指定Socket的本地地址，就无法将此Socket用于连接建立和数据接收。(2)、如果此Socket用于无连接的情形，同样也要求给该Socket设定本地地址，这样，以后系统从网络中接收到数据后，才知道该送给哪个Socket及其相对应的进程。

sockfd参数：用于指定Socket描述符。

addrlen参数：my_addr结构的长度。

my_addr参数：用于侦听连接请求的本地地址。struct sockaddr是一个通用性的结构，不仅包含TCP/IP协议的情况，同时也是为了适合于其它网络，如AF_NS。由于它的这种通用性，它只是定义了一个一般意义上的存储空间。

bind函数返回值：正常时返回0，否则返回-1，同时errno是系统错误码。

4.        listen(int s, int backlog)：准备接收连接请求。在用bind()给一个Socket设定本地地址后，就可以将这个Socket用于接收连接请求，即listen()。调用listen()之后，系统将给此Socket配备一个连接请求的队列，暂存系统接收到的、申请向此Socket建立连接的请求，等待用户程序用accept()正式接收该请求。队列长度，就由backlog参数指定。如果短时间内向乙方建立连接的请求过多，乙方来不及处理，那么排在backlog之后的请求将被系统拒绝。因此，backlog参数实际上规定了乙方程序能够容许的连接建立处理速度。至于乙方程序使用此Socket(及其指定的本地地址)实际建立连接的个数，由乙方程序调用accept()的次数来决定。

listen函数返回值：正常时返回0，否则返回-1.

5.        accept(int s, struct sockaddr*addr, int *addrlen)：接受指定Socket上的连接请求。在调用listen()之后，系统就在Socket的连接请求暂存队列里存放每一个向该Socket(及其本地地址)建立的连接请求。accept()函数的作用就是，从该暂存队列中取出一个连接请求，用该Socket的数据，创建一个新的Socket:Socket_New，并为它分配一个文件描述符。Socket_New即标识了此次建立的连接，可被乙方用来向连接的另一方发生和接收数据(write/read, send/recv)。同时，原Socket仍然保持打开状态不变，继续用于等待网络连接请求。

如果该Socket的暂存队列中没有待处理的连接请求，根据Socket的特征选项(是否non_blocking)，blocking即阻塞，accept()函数将选择两种方式：如果该Socket不是non_blocking型的，accept()将一直等待，直到收到一个连接请求后才返回；如果该Socket是non_blocking型的，那么accept()将立即返回，但如果没有连接请求，只返回错误信息，不创建新的Socket_New。accept()返回后，如果创建了新的Socket_New来标识新建立的连接，那么参数addr指定的结构里面将会有对方的地址信息，addrlen是地址信息的长度。

s参数：Socket描述符。

addr参数：accept()接受连接后，在addr指向的结构中存放对方的地址信息。如果是AF_INET Socket，该地址信息就是地方的IP地址和端口号。

addrlen参数：在调用accept()之前，*addrlen必须被设置为addr数据结构的合法长度。在accept()返回之后，*addrlen中是对方地址信息的长度。

accept函数返回值：如果正常创建了一个新的连接，那么返回非负的整数，即新连接的Socket描述符(注意，用于等待连接请求的原Socket保持打开状态不变，可用于接收新的连接请求)，否则，返回-1.

bind、listen、connect等函数，都是用于被动地等待对方建立连接时需要使用的，而connect函数，则是主动地向对方建立连接时使用的。connect()使用一个事先打开的Socket，和目的方(即通信对方，或称服务器一方)地址信息，向对方发出连接建立请求。

6.        connect(int sockfd, structsockaddr *serv_addr, int addrlen)：客户端发送服务请求。

sockfd参数：socket函数返回的socket描述符。

serv_addr：存储远程计算机的IP地址和端口信息的结构。

addrlen：是结构体sockaddr_in的长度。

返回值：成功返回0，否则返回-1.

7.        send(int s, const void *msg,int len, unsigned int flags)/sendto(int s, const void *msg, int len, unsignedint flags, const struct sockaddr *to, int tolen)，recv(int s, void*buf, int len, unsigned iint flags)/recvfrom(int s, void *buf, int len,unsigned int flags, struct sockaddr *from, int *fromlen)：用Socket发送和接收数据。在连接建立完成后，通信双方就可以使用以上这些函数来进行数据的发送和接收操作。其中，send和recv用于连接建立以后的发送和接收。sendto和recvfrom用于非连接的协议。对于非non_blocking型的Socket，send将等待数据发送完后才返回；对于non_blocking型的Socket，send将立即返回，用户程序需要用select()函数决定网络发送是否结束。类似地，对于非non_blocking型的Socket，若系统没有收到任何数据，recv将等待接收数据到达后才返回；对于non_blocking型的Socket，recv将立即返回，并返回错误信息或接收到的数据字节数。sendto和recvfrom因为是非连接型的发送和接收，必须在参数中给出目的地址或者存放源地址的空间。

s参数：Socket描述符。

msg,buf参数：存放接收或者发送数据的存储空间。

len参数：接收或者发送数据的字节数。

to,from参数：sendto和recvfrom所使用的，目的方地址和存放源地址的空间。

tolen,fromlen参数：目的地址和源地址空间大小。

flag参数：通常设为0.

返回值：send/sendto返回实际发送的数据字节数，或者-1，表示出错。recv/recvfrom返回实际接收到的数据字节数，或者-1，表示出错。

8.        read(int fd, void *buf, size_tcount)/write(int fd, const void *buf, size_t count)：用系统文件操作进行Socket通信。在连接建立完成后，对于连接建立过程中被动的一方，在accept()正常返回后，它返回一个新的Socket，并且为该Socket分配了一个文件描述符；对于连接请求发起方，connect()正常返回后，相应的Socket中也包含有已分配的文件描述符。因此，可以使用标准的Unix文件读写函数read()/write()来进行Socket通信。要注意的是，由于网络数据和磁盘文件不一样，不是已经准备好的，因此，每次读写操作不一定能传送完指定长度的数据，需要由程序反复进行剩余部分的传送。另外，文件描述符是较底层的文件操作函数，不同于C语言中常用的FILE*。FILE*是使用fread/fwrite函数来进行读写操作的。

fd参数：文件或者Socket描述符。

buf参数：数据缓冲区。

count参数：数据字节数。

函数返回值：正常时，返回所读写的字节数(注意，可能小于count参数指定的数目)；否则，返回-1.

9.        getsockopt(int s, int level,int optname, void *optval, int *optlen)/setsockopt(int s, int level, intoptname, const void *optval, int optlen)：获取、设置Socket特征选项。

常用的几个转换函数：(1)、inet_addr：将IP地址从点数格式转换成无符号长整型，它返回的地址是网络字节格式；(2)、inet_ntoa：将一个in_addr结构体输出成点数格式；(3)、htonl：将32位的主机字节顺序转化为32位的网络字节顺序；(4)、htons：将16位的主机字节顺序转化为16位的网络字节顺序；(5)、ntohs：将一个无符号短整形数从网络字节顺序转化为主机字节顺序；(6)、ntohl：将一个无符号长整形数从网络主机顺序转化为主机字节顺序。

以下是测试用例：

1. client.cpp：

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

#define PORT 7000

int main()
{
	struct sockaddr_in server;
	int s, ns;
	int pktlen, buflen;
	char buf1[256], buf2[256];
	
	s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	server.sin_family = AF_INET;
	server.sin_port = htons(PORT);
	server.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
	
	if (connect(s, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) < 0) {
		perror("connect()");
		return -1;
	}
	
	for (;;) {
		printf("Enter a line: ");
		std::cin>>buf1;
		buflen = strlen(buf1);
		if (buflen == 1)
			break;
		
		send(s, buf1, buflen+1, 0);
		recv(s, buf2, sizeof(buf2), 0);
		printf("Received line: %s\n", buf2);
	}
	
	close(s);

	return 0;
}

2. server.cpp:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <ctype.h>

#define PORT 7000

int main()
{
	struct sockaddr_in client, server;
	int s, ns, pktlen;
	char buf[256];
	
	s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	memset((char*)&server, sizeof(server), 0);
	server.sin_family = AF_INET;
	server.sin_port = htons(PORT);
	server.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);

	bind(s, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));

	listen(s, 1);

	socklen_t namelen = sizeof(client);
	ns = accept(s, (struct sockaddr*)&client, &namelen);
	
	for (;;) {
		pktlen = recv(ns, buf, sizeof(buf), 0);
		if (pktlen == 0)
			break;
		printf("Received line:%s\n", buf);
		
		for (int i = 0; i < strlen(buf); i++)
			buf[i] = toupper(buf[i]);

		send(ns, buf, pktlen, 0);
	}
	
	close(ns);
	close(s);

	return 0;
}

执行说明：(1)、打开终端，分别执行：$ g++ -o server server.cpp  , $ g++ -o client client.cpp ; (2)、打开终端，先执行服务器端程序：$ ./server ；再打开另一终端，执行客户端程序：$ ./client  ；(3)、程序功能：服务器端接收从客户端来的数据，并将其接收的数据小写字母改为大写再发送给客户端，在客户端显示接收后的结果数据。当输入一个字符长度时退出。

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