《unix高级环境编程》套接字——基于 socket 的编程

基于套接字的连接建立成功之后，就可以进行通信，下面是基于套接字的编程的过程：

在基于 TCP 的通信连接请求过程有三次握手，其过程如下所示：

• 第一次握手：客户端发送syn包(seq=x)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
• 第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（seq=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
• 第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

数据传输过程如下图所示：

关闭通信时，需要四次挥手过程，如下所示：

• 第一次挥手：主动关闭方发送一个FIN，用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送，也就是主动关闭方告诉被动关闭方：我已经不会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，主动关闭方依然会重发这些数据)，但此时主动关闭方还可以接受数据。
• 第二次挥手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号）。
• 第三次挥手：被动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送，也就是告诉主动关闭方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。
• 第四次挥手：主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+1，至此，完成四次挥手。

下面是基于套接字的编程：

客户端：

/* 基于TCP协议面向连接的客户端进程 */

#include "apue.h"
#include <netdb.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include "connectre.h"

/* 地址的最长大小 */
#define MAXADDRLEN 256
/* 缓冲区大小 */
#define BUFLEN 128

/* 外部函数定义，该函数功能是实现套接字连接 */
//extern int connect_retry(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);

/* 打印客户端所接收的数据信息 */
void print_uptime(int sockfd);

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct addrinfo *ailist, *aip;
    struct addrinfo hint;

    int sockfd, err;
    if(argc != 2)
        err_quit("usage: %s hostname", argv[0]);
    /* 初始化addrinfo结构变量hint */
    hint.ai_flags = 0;
    hint.ai_family = 0;
    hint.ai_socktype = SOCK_STREAM;/* 有序、可靠、双向的面向连接字节流 */
    hint.ai_protocol = 0;/* 使用默认协议 */
    hint.ai_addrlen = 0;
    hint.ai_canonname = NULL;
    hint.ai_addr = NULL;
    hint.ai_next = NULL;/* 表示只有一个addrinfo链表结构 */

    /* 将主机名和服务名映射到一个地址 */
    if((err = getaddrinfo(argv[1], "ruptime", &hint, &ailist)) != 0)
        err_quit("getaddrinfo error: %s", gai_strerror(err));
    /* 对每个结构addrinfo链表进行以下操作，其实这里只有一个addrinfo结构 */
    for(aip = ailist; aip != NULL; aip = aip->ai_next)
    {
        /* 其中这里才是客户端套接字编程 */

        /* 步骤1：创建套接字描述符 */
        if((sockfd = socket(aip->ai_family, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
            err =errno;
        /* 步骤2：connect请求连接 */
        if(connect_retry(sockfd, aip->ai_addr, aip->ai_addrlen) < 0)
            err = errno;/* 请求连接失败 */
        else /* 请求连接成功，则准备传输数据 */
        {
            /* 接收来自服务器进程的消息，并打印输出 */
            print_uptime(sockfd);
            exit(0);/* 正常退出 */
        }
    }
    /* 异常退出 */
    fprintf(stderr, "can't connect to %s: %s\n",argv[1], strerror(err));
    exit(1);
}

void print_uptime(int sockfd)
{
    int n;
    char buf[BUFLEN];

    /* 接收数据 */
    while((n = recv(sockfd, buf, BUFLEN, 0)) > 0)
        /* 把接收到的数据输出到终端 */
        write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    if(n < 0)
        err_sys("recv error");
}

服务器端：

/* 基于TCP的面向连接的服务器进程 */

#include "apue.h"
#include <netdb.h>
#include <errno.h>
#include <syslog.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include "serverin.h"

/* 定义等待请求队列的最大数 */
#define QLEN 10

#ifndef HOST_NAME_MAX
#define HOST_NAME_MAX 256
#endif

/* 外部定义的服务器初始化套接字端点 */
//extern int initserver(int type, const struct sockaddr *addr, socklen_t len, int qlen);

/* 服务器接收连接请求，并向请求客户端发送数据 */
void server(int sockfd);

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct addrinfo *ailist, *aip;
    struct addrinfo hint;

    int sockfd, err, n;
    char *host;

    if(argc != 1)
        err_quit("usage: %s", argv[0]);
#ifdef _SC_HOST_NAME_MAX
    n = sysconf(_SC_HOST_NAME_MAX);
    if(n < 0) /* best guess */
#endif
        n = HOST_NAME_MAX;
    host = (char *)malloc(n);
    if(NULL == host)
        err_sys("malloc error");
    /* 获取客户端的主机名 */
    if(gethostname(host, n) < 0)
        err_sys("gethostname error");
    daemonize("ruptimed");
    /* 初始化addrinfo结构变量hint */
    hint.ai_flags = AI_CANONNAME;/* 需要一个规范名 */
    hint.ai_family = 0;
    hint.ai_socktype = SOCK_STREAM;/* 有序、可靠、双向的面向连接字节流 */
    hint.ai_protocol = 0;/* 使用默认协议 */
    hint.ai_addrlen = 0;
    hint.ai_canonname = NULL;
    hint.ai_addr = NULL;
    hint.ai_next = NULL;/* 表示只有一个addrinfo链表结构 */

    /* 将主机名和服务名映射到一个地址 */
    if((err = getaddrinfo(host, "ruptime", &hint, &ailist)) != 0)
    {
        syslog(LOG_ERR, "ruptimed: getaddrinfo error: %s", gai_strerror(err));
        exit(1);
    }
    /* 对每个结构addrinfo链表进行以下操作，其实这里只有一个addrinfo结构 */
    for(aip = ailist; aip != NULL; aip = aip->ai_next)
    {
        /* 其中这里才是服务进程套接字编程 */

        if((sockfd = initserver(SOCK_STREAM, aip->ai_addr, aip->ai_addrlen, QLEN)) >= 0)
        {
            server(sockfd);
            exit(0);
        }
    }
    exit(1);
}
void server(int sockfd)
{
    int clfd, status;
    pid_t pid;

    while(1)
    {
        clfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
        if(clfd < 0)
        {
            syslog(LOG_ERR, "ruptimed: accept error: %s", strerror(errno));
            exit(1);
        }

        if((pid = fork()) < 0)
        {
            syslog(LOG_ERR, "ruptimed: accept error: %s", strerror(errno));
            exit(1);
        }
        else if(pid == 0)
        {
            if(dup2(clfd, STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO || dup2(clfd, STDERR_FILENO) != STDERR_FILENO)
            {
                syslog(LOG_ERR, "ruptimed: accept error: %s", strerror(errno));
                exit(1);
            }
            close(clfd);
            execl("/usr/bin/uptime", "uptime", (char *)0);/* 执行 uptime指令 */
            syslog(LOG_ERR, "ruptimed: accept error: %s", strerror(errno));
        }
        else
        {
            close(clfd);
            waitpid(pid, &status, 0);
        }
    }
}

其中客户端和服务器端包含的函数头文件内容如下：

服务器：

/* 服务器初始化套接字端点 */
#ifndef SERVERIN_H
#define SERVERIN_H
#include "apue.h"
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <syslog.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/resource.h>

/* type 套接字类型, qlen是监听队列的最大个数 */
int initserver(int type, const struct sockaddr *addr, socklen_t len, int qlen)
{
    int fd;
    int err = 0;

    /* 采用type类型默认的协议 */
    if((fd = socket(addr->sa_family, type, 0)) < 0)
        return -1;/* 出错返回-1*/

    int reuse = 1;

    if(setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(int)) < 0)
    {
        err = errno;
        goto errout;
    }
    /* 将地址绑定到一个套接字 */
    if(bind(fd, addr, len) < 0)
    {
        err =errno;
        goto errout;/* 跳转到出错输出语句 */
    }
    /* 若套接字类型type是面向连接(SOCK_STREAM, SOCK_SEQPACKET)的，则执行以下语句 */
    if(type == SOCK_STREAM || type == SOCK_SEQPACKET)
    {
        /* 监听套接字连接队列 */
        if(listen(fd, qlen) < 0)
        {
            err = errno;
            goto errout;
        }
    }
    return (fd);

errout:
    close(fd);
    errno = err;
    return -1;
}

/* 初始化守护进程 */

void daemonize(const char *cmd)
{
    int i, fd0, fd1, fd2;
    pid_t pid;
    struct rlimit rl;
    struct sigaction sa;
    umask(0);

    if(getrlimit(RLIMIT_NOFILE, &rl) < 0)
        err_quit("%s: can't get file limit", cmd);

    if((pid =fork()) < 0)
        err_quit("%s: can't fork", cmd);
    else if(pid != 0)
        exit(0);
    setsid();

    sa.sa_handler = SIG_IGN;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    if(sigaction(SIGHUP, &sa, NULL) < 0)
        err_quit("%s: can't ignore SIGHUP");
    if((pid =fork()) < 0)
        err_quit("%s: can't fork", cmd);
    else if(pid != 0)
        exit(0);
    if(chdir("/") < 0)
        err_quit("%s: can't change directory to /");

    if(rl.rlim_max == RLIM_INFINITY)
        rl.rlim_max = 1024;
    for(i = 0; i < (int)rl.rlim_max; i++)
        close(i);

    fd0 = open("/dev/null", O_RDWR);
    fd1 = dup(0);
    fd2 = dup(0);

    openlog(cmd, LOG_CONS, LOG_DAEMON);
    if(fd0 != 0 || fd1 != 1 || fd2 != 2)
    {
        syslog(LOG_ERR, "unexpectrd file descriptors %d %d %d", fd0, fd1, fd2);
        exit(1);
    }

}
#endif

客户端：

/* 建立连接 */

/* 该函数的功能和connect相同，当connect连接出错时，这里支持重试连接 */

#ifndef CONNECTRE_H
#define CONNECTRE_H
#include "apue.h"
#include <sys/socket.h>

#define MAXSLEEP 128

int connect_retry(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len)
{
    int nsec;
    /* Try to connect with exponential backoff */

    for(nsec = 1; nsec <= MAXSLEEP; nsec <<= 1)
    {
        if(connect(sockfd, addr, len) == 0)
            return 0;
        /* Delay before trying again */
        if(nsec <= MAXSLEEP/2)
            sleep(nsec);
    }
    return -1;
}
#endif

输出结果：

/*
*在输出结果之前一些准备工作，在文件 /etc/servers 添加 ruptime  4000/tcp
*/
./server 
./client Ubu1204
 19:49:57 up 3 days, 11:10,  4 users,  load average: 0.62, 1.74, 1.46

参考资料：

《UNIX高级环境编程》