1Socket程式設計

socket這個詞可以表示很多概念：

在TCP/IP協議中，“IP地址+TCP或UDP埠號”唯一標識網路通訊中的一個程序，“IP

地址+埠號”就稱為socket。

在TCP協議中，建立連線的兩個程序各自有一個socket來標識，那麼這兩個socket組成的socket pair就唯一標識一個連線。socket本身有“插座”的意思，因此用來描述網路連

接的一對一關係。

TCP/IP協議最早在BSD UNIX上實現，為TCP/IP協議設計的應用層程式設計介面稱為socket

API。

本章的主要內容是socketAPI，主要介紹

TCP協議的函式介面，最後介紹UDP協議和UNIX Domain Socket的函式介面。

圖11.1：socketAPI

2 網路位元組序

我們已經知道，記憶體中的多位元組資料相對於記憶體地址有大端和小端之分，磁碟檔案中的

多位元組資料相對於檔案中的偏移地址也有大端小端之分。網路資料流同樣有大端小端之分，

那麼如何定義網路資料流的地址呢？傳送主機通常將傳送緩衝區中的資料按記憶體地址從低到高的順序發出，接收主機把從網路上接到的位元組依次儲存在接收緩衝區中，也是按記憶體地址從低到高的順序儲存，因此，網路資料流的地址應這樣規定：先發出的資料是低地址，後發出的資料是高地址。

TCP/IP協議規定，網路資料流應採用大端位元組序，即低地址高位元組。例如上一節的UDP

段格式，地址0-1是16位的源埠號，如果這個埠號是1000（0x3e8），則地址0是0x03，

地址1是0xe8，也就是先發0x03，再發0xe8，這16位在傳送主機的緩衝區中也應該是低地址存0x03，高地址存0xe8。但是，如果傳送主機是小端位元組序的，這16位被解釋成0xe803，而不是1000。因此，傳送主機把1000填到傳送緩衝區之前需要做位元組序的轉換。同樣地，接收主機如果是小端位元組序的，接到16位的源埠號也要做位元組序的轉換。如果主機是大端位元組序的，傳送和接收都不需要做轉換。同理，32位的IP地址也要考慮網路位元組序和主機位元組序的問題。

為使網路程式具有可移植性，使同樣的C程式碼在大端和小端計算機上編譯後都能正常執行，可以呼叫以下庫函式做網路位元組序和主機位元組序的轉換。

3 函式介紹

A 依賴的標頭檔案

#include <arpa/inet.h>

B 函式宣告

#include <arpa/inet.h>

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

uint16_t htons(uint16_t hostshort);

uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

h表示host，n表示network，l表示32位長整數，s表示16位短整數。

如果主機是小端位元組序，這些函式將引數做相應的大小端轉換然後返回，如果主機是大端位元組序，這些函式不做轉換，將引數原封不動地返回。

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

名稱：	htonl
功能：	The htonl() function converts the unsigned integer hostlongfromhost byte order to network byte order
標頭檔案：	#include <arpa/inet.h>
函式原形：	uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
引數：
返回值：

uint16_t htons(uint16_t hostshort);

名稱：	htons
功能：	The htons() function converts the unsigned short integer hostshort from host byte order to network byte order.
標頭檔案：	#include <arpa/inet.h>
函式原形：	uint16_t htons(uint16_t hostshort);
引數：
返回值：

uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

名稱：	ntohl
功能：	The ntohl() function converts the unsigned integer netlong from network byte order to host byte order.
標頭檔案：	#include <arpa/inet.h>
函式原形：	uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
引數：
返回值：

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

名稱：	ntohs
功能：	The ntohs() function converts the unsigned short integer netshort from network byte order to host byte order.
標頭檔案：	#include <arpa/inet.h>
函式原形：	uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
引數：
返回值：

4 IP地址轉換函式

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

int inet_aton(const char *cp, structin_addr *inp);

in_addr_t inet_addr(const char *cp);

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

只能處理IPv4的ip地址

不可重入函式

注意引數是struct in_addr

現在

#include <arpa/inet.h>

int inet_pton(int af, const char *src, void*dst);

const char *inet_ntop(int af, const void*src, char *dst, socklen_t size);

支援IPv4和IPv6

可重入函式

其中inet_pton和inet_ntop不僅可以轉換IPv4的in_addr,還可以轉換IPv6的in6_addr,因此函式介面是void*addrptr

5 sockaddr資料結構

strcutsockaddr 很多網路程式設計函式誕生早於IPv4協議，那時候都使用的是sockaddr結

構體,為了向前相容，現在sockaddr退化成了（void *）的作用，傳遞一個地址給函式，至

於這個函式是sockaddr_in還是sockaddr_in6，由地址族確定，然後函式內部再強制型別轉

化為所需的地址型別

圖 11.2：sockaddr資料結構

struct sockaddr {

sa_family_t sa_family; /* address family, AF_xxx */

char sa_data[14]; /* 14 bytes of protocol address */

};

struct sockaddr_in {

__kernel_sa_family_t sin_family; /* Address family */

__be16 sin_port; /* Port number */

struct in_addr sin_addr; /* Internet address */

/* Pad to size of `struct sockaddr'. */

unsigned char __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -

sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];

};

/* Internet address. */

struct in_addr {

__be32 s_addr;

};

struct sockaddr_in6 {

unsigned short int sin6_family; /* AF_INET6*/

__be16 sin6_port; /* Transport layer port # */

__be32 sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */

struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 address */

__u32 sin6_scope_id; /* scope id (new in RFC2553) */

};

struct in6_addr {

union {

__u8 u6_addr8[16];

__be16 u6_addr16[8];

__be32 u6_addr32[4];

} in6_u;

#define s6_addr in6_u.u6_addr8

#define s6_addr16 in6_u.u6_addr16

#define s6_addr32 in6_u.u6_addr32

};

#define UNIX_PATH_MAX 108

struct sockaddr_un {

__kernel_sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */

char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */

};

Pv4和IPv6的地址格式定義在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in結構體表示，包

括16位埠號和32位IP地址，IPv6地址用sockaddr_in6結構體表示，包括16位埠號、128位IP地址和一些控制欄位。UNIX Domain Socket的地址格式定義在sys/un.h中，用sockaddr_un結構體表示。各種socket地址結構體的開頭都是相同的，前16位表示整個結構體的長度（並不是所有UNIX的實現都有長度欄位，如Linux就沒有），後16位表示地址型別。IPv4、IPv6和Unix Domain Socket的地址型別分別定義為常數AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX。這樣，只要取得某種sockaddr結構體的首地址，不需要知道具體是哪種型別的sockaddr結構體，就可以根據地址型別欄位確定結構體中的內容。因此，socket API可以接受各種型別的sockaddr結構體指標做引數，例如bind、accept、connect等函式，這些函式的引數應該設計成void *型別以便接受各種型別的指標，但是sock API的實現早於ANSI C標準化，那時還沒有void *型別，因此這些函式的引數都用struct sockaddr *型別表示，在傳遞引數之前要強制型別轉換一下，例如：

struct sockaddr_in servaddr;

/* initialize servaddr */

bind(listen_fd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));

6 網路套接字函式

A socket

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain,int types,intprotocol);

domain:

AF_INET 這是大多數用來產生socket的協議，使用TCP或UDP來傳輸，用IPv4的地址

AF_INET6 與上面類似，不過是來用IPv6的地址

AF_UNIX 本地協議，使用在Unix和Linux系統上，一般都是當客戶端和伺服器在同一臺及其上的時候使用

type:

SOCK_STREAM 這個協議是按照順序的、可靠的、資料完整的基於位元組流的連線。這是一個使用最多的socket型別，這個socket是使用TCP來進行傳輸。

SOCK_DGRAM 這個協議是無連線的、固定長度的傳輸呼叫。該協議是不可靠的，使用UDP來進行它的連線。

SOCK_SEQPACKET 這個協議是雙線路的、可靠的連線，傳送固定長度的資料包進行傳輸。必須把這個包完整的接受才能進行讀取。

SOCK_RAW 這個socket型別提供單一的網路訪問，這個socket型別使用ICMP公共協議。（ping、traceroute使用該協議）

SOCK_RDM 這個型別是很少使用的，在大部分的作業系統上沒有實現，它是提供給資料鏈路層使用，不保證資料包的順序

protocol:

0 預設協議

返回值：

成功返回一個新的檔案描述符，失敗返回-1，設定errno

socket()開啟一個網路通訊埠，如果成功的話，就像open()一樣返回一個檔案描述符，應用程式可以像讀寫檔案一樣用read/write在網路上收發資料，如果socket()調用出錯則返回-1。對於IPv4，domain引數指定為AF_INET。對於TCP協議，type引數指定為SOCK_STREAM，表示面向流的傳輸協議。如果是UDP協議，則type引數指定為SOCK_DGRAM，表示面向資料報的傳輸協議。protocol引數的介紹從略，指定為0即可。

7 bind

A 依賴的標頭檔案

#include <sys/types.h> /* See NOTES*/

#include <sys/socket.h>

B 函式宣告

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

sockfd:

socket檔案描述符

addr:

構造出IP地址加埠號

addrlen:

sizeof(addr)長度

返回值：

成功返回0，失敗返回-1，設定errno

伺服器程式所監聽的網路地址和埠號通常是固定不變的，客戶端程式得知伺服器程式

的地址和埠號後就可以向伺服器發起連線，因此伺服器需要呼叫bind繫結一個固定的網路地址和埠號。

bind()的作用是將引數sockfd和addr繫結在一起，使sockfd這個用於網路通訊的檔案

描述符監聽addr所描述的地址和埠號。前面講過，struct sockaddr *是一個通用指標類

型，addr引數實際上可以接受多種協議的sockaddr結構體，而它們的長度各不相同，所以需要第三個引數addrlen指定結構體的長度。如：

struct sockaddr_in servaddr;

bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

servaddr.sin_family = AF_INET;

servaddr.sin_addr.s_addr =htonl(INADDR_ANY);

servaddr.sin_port = htons(8000);

首先將整個結構體清零，然後設定地址型別為AF_INET，網路地址為INADDR_ANY，這個巨集表示本地的任意IP地址，因為伺服器可能有多個網絡卡，每個網絡卡也可能繫結多個IP地址，這樣設定可以在所有的IP地址上監聽，直到與某個客戶端建立了連線時才確定下來到底用哪個IP地址，埠號為8000。

8 listen

#include <sys/types.h> /* See NOTES*/

#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

sockfd:

socket檔案描述符

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