Linux平台下的SOCKET網絡通信
1，什么是SOCKET
Socket即為套接字，是計算機之間進行網絡通信的一種方式，基於計算機網絡中的TCP(UDP)/IP層
在linux中，socket被視為一個文件，即在完成一系列操作后，可以用類似讀寫文件的方式對socket進行操作，實現與網絡通信
2，SOCKET的種類
對於不同的協議，存在不同的SOCKET種類
1，TCP：SOCKET_STREAM
2，UPD：SOCKET_DGRAM
3，IP：SOCKET_RAW（原始套接字，不常用）
3，套接字的使用（以SOCKET_STREAM為例）
先上一個示例
服務端程序
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
const char APPMESSAGE[] = "Scoket Network Programming Test String!\n";
int main(int argc, char *argv[]) {
int simpleSocket = 0;
int simplePort = 0;
int returnStatus = 0;
struct sockaddr_in simpleServer;
if (2 != argc) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
simpleSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (simpleSocket == -1) {
fprintf(stderr, "Could not create a socket!\n");
exit(1);
}
else {
fprintf(stderr, "Socket created!\n");
}
/* retrieve the port number for listening */
simplePort = atoi(argv[1]);
/* setup the address structure */
/* use INADDR_ANY to bind to all local addresses */
bzero(&simpleServer, sizeof(simpleServer));
simpleServer.sin_family = AF_INET;
simpleServer.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
simpleServer.sin_port = htons(simplePort);
/* bind to the address and port with our socket */
returnStatus = bind(simpleSocket,(struct sockaddr *)&simpleServer,sizeof(simpleServer));
if (returnStatus == 0) {
fprintf(stderr, "Bind completed!\n");
}
else {
fprintf(stderr, "Could not bind to address!\n");
close(simpleSocket);
exit(1);
}
/* lets listen on the socket for connections */
returnStatus = listen(simpleSocket, 5);
if (returnStatus == -1) {
fprintf(stderr, "Cannot listen on socket!\n");
close(simpleSocket);
exit(1);
}
while (1)
{
struct sockaddr_in clientName = { 0 };
int simpleChildSocket = 0;
int clientNameLength = sizeof(clientName);
/* wait here */
simpleChildSocket = accept(simpleSocket,(struct sockaddr *)&clientName, &clientNameLength);
if (simpleChildSocket == -1) {
fprintf(stderr, "Cannot accept connections!\n");
close(simpleSocket);
exit(1);
}
/* handle the new connection request */
/* write out our message to the client */
write(simpleChildSocket, APPMESSAGE, strlen(APPMESSAGE));
close(simpleChildSocket);
}
close(simpleSocket);
return 0;
}
客戶端
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
int simpleSocket = 0;
int simplePort = 0;
int returnStatus = 0;
char buffer[256] = "";
struct sockaddr_in simpleServer;
if (3 != argc) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <server> <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
/* create a streaming socket */
simpleSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (simpleSocket == -1) {
fprintf(stderr, "Could not create a socket!\n");
exit(1);
}
else {
fprintf(stderr, "Socket created!\n");
}
/* retrieve the port number for connecting */
simplePort = atoi(argv[2]);
/* setup the address structure */
/* use the IP address sent as an argument for the server address */
bzero(&simpleServer, sizeof(simpleServer));
simpleServer.sin_family = AF_INET;
inet_addr(argv[2], &simpleServer.sin_addr.s_addr);
simpleServer.sin_port = htons(simplePort);
/* connect to the address and port with our socket */
returnStatus = connect(simpleSocket, (struct sockaddr *)&simpleServer, sizeof(simpleServer));
if (returnStatus == 0) {
fprintf(stderr, "Connect successful!\n");
}
else {
fprintf(stderr, "Could not connect to address!\n");
close(simpleSocket);
exit(1);
}
/* get the message from the server */
returnStatus = read(simpleSocket, buffer, sizeof(buffer));
if ( returnStatus > 0 ) {
printf("%d: %s", returnStatus, buffer);
} else {
fprintf(stderr, "Return Status = %d \n", returnStatus);
}
close(simpleSocket);
return 0;
}
4，參數詳解
4.1，socket()
int socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回文件描述符
作用：獲取SOCKET的文件描述符
- protofamily：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
- type：指定socket類型。常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等）。
- protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議
注意：並不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type類型對應的默認協議。
當獲取一個SOCKET文件描述符的時候，就可以對其進行一系列的操作了
4.2，bind()
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);//返回0則表示綁定成功，非0則失敗
作用：將SOCKET與特定的套接字綁定
-
sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數創建了，唯一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。
-
addr：一個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址創建socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是：
struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */ in_port_t sin_port; /* port in network byte order */ struct in_addr sin_addr; /* internet address */ }; /* Internet address. */ struct in_addr { uint32_t s_addr; /* address in network byte order */ };
注：
網絡字節序與主機字節序
主機字節序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節序類型，這些字節序是指整數在內存中保存的順序，這個叫做主機序。引用標准的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：
a) Little-Endian就是低位字節排放在內存的低地址端，高位字節排放在內存的高地址端。
b) Big-Endian就是高位字節排放在內存的低地址端，低位字節排放在內存的高地址端。
網絡字節序：4個字節的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節序。由於TCP/IP首部中所有的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網絡字節序。字節序，顧名思義字節的順序，就是大於一個字節類型的數據在內存中的存放順序，一個字節的數據沒有順序的問題了。
所以：在將一個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成為網絡字節序，而不要假定主機字節序跟網絡字節序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發過血案！公司項目代碼中由於存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機字節序不要做任何假定，務必將其轉化為網絡字節序再賦給socket。
4.3，listen()，connect()
如果作為一個服務器，在調用socket()、bind()之后就會調用listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時調用connect()發出連接請求，服務器端就會接收到這個請求。
int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
listen函數的第一個參數即為要監聽的socket描述字，第二個參數為相應socket可以排隊的最大連接個數。socket()函數創建的socket默認是一個主動類型的，listen函數將socket變為被動類型的，等待客戶的連接請求。
connect函數的第一個參數即為客戶端的socket描述字，第二參數為服務器的socket地址，第三個參數為socket地址的長度。客戶端通過調用connect函數來建立與TCP服務器的連接。
4.4，accept()
TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之后，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之后就向TCP服務器發送了一個連接請求。TCP服務器監聽到這個請求之后，就會調用accept()函數取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網絡I/O操作了，即類同於普通文件的讀寫I/O操作。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回連接connect_fd
-
參數sockfd
參數sockfd就是上面解釋中的監聽套接字，這個套接字用來監聽一個端口，當有一個客戶與服務器連接時，它使用這個一個端口號，而此時這個端口號正與這個套接字關聯。當然客戶不知道套接字這些細節，它只知道一個地址和一個端口號。
-
參數addr
這是一個結果參數，它用來接受一個返回值，這返回值指定客戶端的地址，當然這個地址是通過某個地址結構來描述的，用戶應該知道這一個什么樣的地址結構。如果對客戶的地址不感興趣，那么可以把這個值設置為NULL。
-
參數len
如同大家所認為的，它也是結果的參數，用來接受上述addr的結構的大小的，它指明addr結構所占有的字節個數。同樣的，它也可以被設置為NULL。
如果accept成功返回，則服務器與客戶已經正確建立連接了，此時服務器通過accept返回的套接字來完成與客戶的通信。
注意：
accept默認會阻塞進程，直到有一個客戶連接建立后返回，它返回的是一個新可用的套接字，這個套接字是連接套接字。
此時我們需要區分兩種套接字，
監聽套接字: 監聽套接字正如accept的參數sockfd，它是監聽套接字，在調用listen函數之后，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱為監聽socket描述字(監聽套接字)
連接套接字：一個套接字會從主動連接的套接字變身為一個監聽套接字；而accept函數返回的是已連接socket描述字(一個連接套接字)，它代表着一個網絡已經存在的點點連接。
一個服務器通常通常僅僅只創建一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命周期內一直存在。內核為每個由服務器進程接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描述字就被關閉。
自然要問的是：為什么要有兩種套接字？原因很簡單，如果使用一個描述字的話，那么它的功能太多，使得使用很不直觀，同時在內核確實產生了一個這樣的新的描述字。
連接套接字socketfd_new 並沒有占用新的端口與客戶端通信，依然使用的是與監聽套接字socketfd一樣的端口號
4.5，read()、write()等函數
萬事具備只欠東風，至此服務器與客戶已經建立好連接了。可以調用網絡I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同進程之間的通信！網絡I/O操作有下面幾組：
- read()/write()
- recv()/send()
- readv()/writev()
- recvmsg()/sendmsg()
- recvfrom()/sendto()
我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數，這兩個函數是最通用的I/O函數，實際上可以把上面的其它函數都替換成這兩個函數。它們的聲明如下：
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
read函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的字節數，如果返回的值是0表示已經讀到文件的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網絡連接出了問題。
write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回-1，並設置errno變量。 在網絡程序中，當我們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是全部的數據。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤類型來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示網絡連接出現了問題(對方已經關閉了連接)。
其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了，具體參見man文檔或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。
4.6，close()
在服務器與客戶端建立連接之后，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。
#include <unistd.h>
int close(int fd);
close一個TCP socket的缺省行為時把該socket標記為以關閉，然后立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個參數。
注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接請求。