第十六章：網絡IPC 套接字

 

一、IP地址和端口

套接字接口可以用於計算機間通信。目前計算機間使用套接字通訊需要保證處於同一網段。

 

為了查看是否處於同一網段，我們可以使用IP地址判斷。

IP地址是計算機在網絡中的唯一標識。IP地址本質是個整數，它與網卡的物理地址（MAC地址）綁定。MAC地址在網卡出廠時都確保唯一，不需要我們關心。

IP地址有IPv4和IPv6之分，IPv4是32位整數，IPv6是128位整數。現在使用的一般是IPv4。

為了便於記憶，IPv4地址的每個字節轉換為一個整數（8位整數，0到255），各個整數之間使用“.”隔開，這種方式叫點分十進制。如192.168.7.5。

人類使用的是點分十進制，計算機底層存儲的是整數格式（十六進制）。這兩種表示方法在編程時需要互相轉換。

 

當我們上網時輸入網址如baidu.com，這個baidu.com域名是IP地址的助記符。域名需要轉換成IP地址才能找到計算機，這個工作由域名解析服務器完成。

 

在Linux中，我們可以使用ifconfig查看當前計算機的IP地址

上圖中IPv4為127.0.0.1的lo為本地回環，簡單點說就是用於本機通訊。

 

可以看到我的系統的IPv4地址為7.7.7.5，若有和我處於一個網絡電腦的IPv4地址為7.7.7.3。我們需要使用位與判斷這兩個IP地址是否處於同一網段。

 

首先把7.7.7.5位與Mask（255.0.0.0），得到7.0.0.0；

之后把7.7.7.3位與Mask（255.0.0.0），得到7.0.0.0。

可以發現結果一致，表示兩IP處於同一網段。

 

但是IP地址只能定位計算機，不能定位計算機中的進程。為解決此問題，系統提供了端口。

端口用於計算機對外管理進程。因此網絡編程需要提供IP地址和端口號。

端口的本質是一個unsigned short（0到65535），代表了計算機中的每一個進程。這些進程中，有些端口已經被占用，編程中需要使用未被占用的端口。

0 到 1023：系統預先占用部分，最好別用

1024 到 48000：可以使用，但有個別端口被其它程序占用

48000 到 65535：系統可能會隨時使用某一個，不穩定

 

 

二、字節順序

有了IP和端口后，傳輸的源頭和目的地就有了，此時還需要數據和數據格式。

在網絡中，數據格式並不是確定的，因此我們在發送或接受數據時，需要把本機格式轉換網絡格式或把網絡格式還原本機格式。

 

IP本機格式轉換網絡格式使用函數為inet_addr()，如：inet_addr("7.7.7.5");

IP網絡格式轉換本機格式使用函數為inet_ntoa()，如：inet_ntoa(sockaddr.sin_addr);

 

端口本機格式轉換網絡格式使用函數為htons()，如：htons(8888);

 

 

三、套接字的編程步驟

網絡編程需要考率兩個方面：服務器端和客戶端。

服務器端的編程步驟：

1. 調用socket()函數，創建一個socket描述符，它和fd使用方法一致

2. 配置struct sockaddr_in或struct sockaddr_un，准備進行數據交互

3. 調用bind()函數，綁定通信地址和socket描述符

4. 調用read()、write()，讀寫socket描述符

5. 調用close()函數，關閉socket描述符

 

客戶端的編程步驟：

除了服務器端步驟3的bind()換成connect()以外，其它步驟和服務器端一樣，並且connect()和bind()用法完全一樣。

 

套接字類函數和結構體定義如下：

1. 創建socket描述符

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

/* 創建socket描述符 */
int socket(int domain, int type, int protocol);

---

函數參數以及返回值：

domain：選擇協議，有以下宏：

AF_UNIX/AF_LOCAL/AF_FILE：本地通信

AF_INET：網絡通信IPv4

AF_INET6：網絡通信IPv6

type：通信類型，有以下宏：

SOCK_STREAM：數據流，用於TCP（有數據回傳機制，可以判斷是否發送成功）

SOCK_DGRAM：數據報，用於UDP（沒有數據回傳機制）

返回值：成功返回socket描述符；出錯返回-1。

---

 

2. 配置struct sockaddr_in或struct sockaddr_un

其實通信使用的結構體是sockaddr。它是sockaddr_in和sockaddr_un的一般化，sockaddr_in和sockaddr_un做參數時必須轉化為sockaddr。

在代碼中，sockaddr_in負責網絡通信；sockaddr_un負責本地通信。

 

其中sockaddr_un結構體定義如下：

#include <sys/un.h>

struct sockaddr_un
{
    int sun_family;     // 用於指定協議，和socket()的第一個參數保持一致
    char sun_path[];    // 存socket文件名（做交互媒介）
    // 注意，數組不能直接用=賦值
};

/* 示例 */
struct sockaddr_un addr;
addr.sun_family = AF_UNIX;
strcpy(addr.sun_path, "a.sock"); // 系統會自動創建a.sock文件

sockaddr_in結構體定義如下：

#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in
{
    int sin_family;    // 用於指定協議，和socket()的第一個參數保持一致
    short sin_port;    // 端口號
    struct in_addr sin_addr;    // 存儲IP地址的結構
};

/* 示例 */
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(8888);
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("7.7.7.5");

 

3. 綁定socket描述符和struct sockaddr

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

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

/* 示例 */
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));

 

 

四、TCP通信

由於TCP會進行回傳工作等，因此TCP在前三步的基礎上，需要監聽客戶端回應並等待客戶端連接。

服務器端的編程步驟：

1. 調用socket()函數，創建一個socket描述符，它和fd使用方法一致

2. 配置struct sockaddr_in或struct sockaddr_un，准備進行數據交互

3. 調用bind()函數，綁定通信地址和socket描述符

4. 調用listen()函數，監聽客戶端

5. 調用accept()函數，等待客戶端連接。accept()會返回客戶端的socket描述符，用於讀寫交互

6. 調用read()、write()，讀寫socket描述符

7. 調用close()函數，關閉socket描述符

 

客戶端的編程步驟：

與之前一致

 

listen()函數定義如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

/* 示例 */
listen(sockfd, 100);    // 監聽100個客戶端

 

accept()函數定義如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

/* 示例 */
/* 客戶端fd                 返回的客戶端addr */
clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client, &clientlen);

 

服務器示例代碼如下：

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

int main()
{
    int id = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (id == -1)
        perror("socket"), exit(-1);
    
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(2222);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    /* 防止SIGINT后一段時間端口占用 */
    int reuse = 1;
    setsockopt(id, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

    int res = bind(id, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    if (res == -1)
        perror("bind"), exit(-1);
    printf("綁定完成!\n");

    listen(id, 10);

    int client;
    struct sockaddr_in from;
    socklen_t len = sizeof(from);
    
    client = accept(id, (struct sockaddr*)&from, &len);
    if (client == -1)
        perror("accept"), exit(-1);
    printf("%s連接了\n", inet_ntoa(from.sin_addr));
    
    char buf[100];
    read(client, buf, sizeof(buf));
    printf("接收數據為：%s\n", buf);

    close(client);

    return 0;
}

客戶端示例代碼如下：

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

int main()
{
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (fd == -1)
        perror("socket"), exit(-1);

    struct sockaddr_in sock;
    sock.sin_family = AF_INET;
    sock.sin_port = htons(2222);
    sock.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    int res = connect(fd, (struct sockaddr *)&sock, sizeof(sock));
    if (res == -1)
        perror("connect"),exit(-1);
    printf("連接成功\n");

    char buf[100];

    strcpy(buf, "Hello World");

    res = write(fd, buf, strlen(buf));
    printf("發送成功\n");

    close(fd);

    return 0;
}

 

測試時首先啟動服務器程序，之后啟動客戶端。

 

 

五、UDP通信

服務器端的編程步驟：

1. 調用socket()函數，創建一個socket描述符，它和fd使用方法一致

2. 配置struct sockaddr_in或struct sockaddr_un，准備進行數據交互

3. 調用bind()函數，綁定通信地址和socket描述符

4. 調用read()或recvfrom()讀socket描述符，調用sendto()寫socket描述符

5. 調用close()函數，關閉socket描述符

 

客戶端的編程步驟：

不需要之前的connect()函數；調用recvfrom()、sendto()，讀寫socket描述符

 

read()和recvfrom()的區別在於：

read()只能讀數據，不能讀發送方的通信地址，而recvfrom()兩者皆可

 

recvfrom()和sendto()函數定義如下：

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

其中，

參數flags用於指定是否阻塞，如不需要阻塞等待可設置為MSG_DONTWAIT，阻塞等待可設置為0。

參數src_addr表示發送數據的地址；參數dest_addr表示接收數據的地址。

需要注意的是recvfrom()函數的最后一個參數采用的是指針傳遞，而sendto采用的值傳遞。

 

服務器示例代碼如下：

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

int main()
{
    int id = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (id == -1)
        perror("socket"), exit(-1);
    
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(2222);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    /* 防止SIGINT后一段時間端口占用 */
    int reuse = 1;
    setsockopt(id, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

    int res = bind(id, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    if (res == -1)
        perror("bind"), exit(-1);
    printf("綁定完成!\n");

    int client;
    struct sockaddr_in from;
    socklen_t len = sizeof(from);
    
    char buf[100];
    recvfrom(id, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&from, &len);
    printf("%s連接了,接收數據為：%s\n", inet_ntoa(from.sin_addr), buf);

    close(client);

    return 0;
}

客戶端示例代碼如下：

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

int main()
{
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (fd == -1)
        perror("socket"), exit(-1);

    struct sockaddr_in sock;
    sock.sin_family = AF_INET;
    sock.sin_port = htons(2222);
    sock.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    char buf[100];

    strcpy(buf, "Hello World");

    int res = sendto(fd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&sock, sizeof(sock));
    printf("發送成功\n");

    close(fd);

    return 0;
}

 

本章給出的示例代碼過於簡單，以后我會融合信號、多線程和線程同步知識，編寫一個服務器支持多客戶端示例。