Linux之socket详解

目录一、什么是Socket1.1 Socket建立1.2 Socket配置(绑定)1.3 连接建立1.4 数据传输1.5 结束传输二、编程DEMO2.1 TCP编程2.2 UDP编程一、什么是SocketSocket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。要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Sock

小宝是狗子啊

4855人浏览 · 2021-04-16 20:43:30

小宝是狗子啊 · 2021-04-16 20:43:30 发布

一、什么是Socket

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。要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Socket接口

Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。如果了解Unix系统的输入和输出的话，就很容易了解Socket了。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也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。常用的Socket类型有两种：流式Socket （SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用

1.1 Socket建立

为了建立Socket，程序可以调用Socket函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。socket函数原型为：

int socket(int domain, int type, int protocol);

domain指明所使用的协议族，通常为AF_INET，表示互联网协议族（TCP/IP协议族）；type参数指定socket的类型： SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM，Socket接口还定义了原始Socket（SOCK_RAW），允许程序使用低层协议；protocol通常赋值"0"。 Socket()调用返回一个整型socket描述符，你可以在后面的调用使用它

domain的选项，AF_INET_IPv4：因特网域；AF_INET6_IPv6因特网域；AF_UNIX：Unix域；AF_ROUTE路由套接字；AF_KEY密钥套接字；AF_UNSPEC：未指定；
type的选项，SOCK_STREAM：流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流:它使用TCP协议，从而保证了数据传输的正确性和顺序性(TCP：可靠的、重传、有连接的，一般用于控制命令)；SOCK_DGRAM：数据报套接字定义了一种无连接的服，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议(UDP：不可靠的、无连接，大数据传输，数据可能会丢失)
protocol的选项，0选择type类型对应的默认协议；IPPROTO_TCP：TCP传输协议；IPPROTO_UDP：UDP传输协议；IPPROTO_SCTP：SCTP传输协议；IPPROTO_TIPC：TIPC传输协议

Socket描述符是一个指向内部数据结构的指针，它指向描述符表入口。调用Socket函数时，socket执行体将建立一个Socket，实际上"建立一个Socket"意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。Socket执行体为你管理描述符表

两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。Socket数据结构中包含这五种信息

1.2 Socket配置(绑定)

通过socket调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传输以前，必须配置该socket。面向连接的socket客户端通过调用Connect函数在socket数据结构中保存本地和远端信息。无连接socket的客户端和服务端以及面向连接socket的服务端通过调用 bind函数来配置本地信息。

Bind函数将socket与本机上的一个端口相关联，随后你就可以在该端口监听服务请求。Bind函数原型为：

 int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

sockfd是调用socket函数返回的socket描述符，my_addr是一个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针；addrlen常被设置为sizeof(struct sockaddr)

struct sockaddr {
    unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */
    char sa_data[14]; /* 14 字节的协议地址 */
};

对于sockaddr中的sa_data包含了端口号加IP地址，我们可以等同于如下结构体，两个结构体的大小是相等的，其中主要是把sa_data的IP和端口号分出来了，对于sin_zero数组只是填充用，并没有实际意义，只是为了跟sockaddr结构内存对齐，这样两者才能相互转换

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family;
    in_port_t sin_port;
    struct in_addr sin_addr;
    unsigned char sin_zero[8]; 
}

通过将my_addr.sin_port置为0，函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用，也可以自己来指定端口号。同样，通过将my_addr.sin_addr.s_addr置为INADDR_ANY，系统会自动填入本机IP地址(注意在使用bind函数是需要将sin_port和sin_addr转换成为网络字节优先顺序；而sin_addr则不需要转换，如果sin_add是自己指定的IP地址就需要我们自己来转换为网络字节序)
计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先。Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器，在Internet上传输数据时就需要进行转换，否则就会出现数据不一致。下面有几个字节顺序转换函数

htonl() //把32位值从主机字节序转换成网络字节序
htons() //把16位值从主机字节序转换成网络字节序
ntohl() //把32位值从网络字节序转换成主机字节序
ntohs() //把16位值从网络字节序转换成主机字节序

Bind()函数在成功被调用时返回0；出现错误时返回"-1"并将errno置为相应的错误号。需要注意的是，在调用bind函数时一般不要将端口号置为小于1024的值，因为1到1024是保留端口号，你可以选择大于1024中的任何一个没有被占用的端口号

地址转换API

把字符串形式的"192.168.1.123"转为网络能识别的格式

int inet_aton(const char* straddr,struct in_addr *addrp)

把网络格式的p地址转为字符串形式

char* inet_ntoa(struct in_addr inaddr);

1.3 连接建立

面向连接的客户程序使用Connect函数来配置socket并与远端服务器建立一个TCP连接，其函数原型为：

int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);

sockfd是socket函数返回的socket描述符；serv_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针；addrlen是远端地质结构的长度。 Connect函数在出现错误时返回-1，并且设置errno为相应的错误码

listen函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们

 int listen(int sockfd， int backlog);

sockfd是Socket系统调用返回的socket描述符；backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待accept()它们。Backlog对队列中等待服务的请求的数目进行了限制，大多数系统缺省值为20。如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该socket将拒绝连接请求，客户将收到一个出错信息。
当出现错误时listen函数返回-1，并置相应的errno错误码

accept()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用accept函数，然后睡眠并等待客户的连接请求

int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);

sockfd是被监听的socket描述符，addr通常是一个指向sockaddr_in变量的指针，该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息（某台主机从某个端口发出该请求）；addrten通常为一个指向值为sizeof(struct sockaddr_in)的整型指针变量。出现错误时accept函数返回-1并置相应的errno值

1.4 数据传输

send()和recv()这两个函数用于面向连接的socket上进行数据传输。

send()函数原型为：

int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);

sockfd是你想用来传输数据的socket描述符；msg是一个指向要发送数据的指针；Len是以字节为单位的数据的长度；flags一般情况下置为0（关于该参数的用法可参照man手册）。
Send()函数返回实际上发送出的字节数，可能会少于你希望发送的数据。在程序中应该将send()的返回值与欲发送的字节数进行比较。当send()返回值与len不匹配时，应该对这种情况进行处理。

recv()函数原型为：

int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);

sockfd是接受数据的socket描述符；buf 是存放接收数据的缓冲区；len是缓冲的长度。Flags也被置为0。Recv()返回实际上接收的字节数，当出现错误时，返回-1并置相应的errno值。sendto()和recvfrom()用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。由于本地socket并没有与远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。

sendto()函数原型为：

int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen);

该函数比send()函数多了两个参数，to表示目地机的IP地址和端口号信息，而tolen常常被赋值为sizeof (struct sockaddr)。Sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。

recvfrom()函数原型为：

int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);

from是一个struct sockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。fromlen常置为sizeof (struct sockaddr)。当recvfrom()返回时，fromlen包含实际存入from中的数据字节数。Recvfrom()函数返回接收到的字节数或当出现错误时返回-1，并置相应的errno。如果你对数据报socket调用了connect()函数时，你也可以利用send()和recv()进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并且利用传输层的UDP服务。但在发送或接收数据报时，内核会自动为之加上目地和源地址信息。

1.5 结束传输

当所有的数据操作结束以后，你可以调用close()函数来释放该socket，从而停止在该socket上的任何数据操作：

close(sockfd);

你也可以调用shutdown()函数来关闭该socket。该函数允许你只停止在某个方向上的数据传输，而一个方向上的数据传输继续进行。如你可以关闭某socket的写操作而允许继续在该socket上接受数据，直至读入所有数据

int shutdown(int sockfd,int how);

二、编程DEMO

2.1 TCP编程

对于server来说需要4步：socket、bind、listen、accept；对于client来说需要两步：socket、connect
可以用read/write来传输数据，也可以用send/recv来传输数据

server.c：

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>


/* socket
 * bind
 * listen
 * accept
 * send/recv
 */

#define SERVER_PORT 8888
#define BACKLOG     10

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketServer;
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
	int iRet;
	int iAddrLen;

	int iRecvLen;
	unsigned char ucRecvBuf[1000];

	int iClientNum = -1;

	signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
	
	iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == iSocketServer)
	{
		printf("socket error!\n");
		return -1;
	}

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
	
	iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("bind error!\n");
		return -1;
	}

	iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG);
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("listen error!\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
		iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
		if (-1 != iSocketClient)
		{
			iClientNum++;
			printf("Get connect from client %d : %s\n",  iClientNum, inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr));
			if (!fork())
			{
				/* 子进程的源码 */
				while (1)
				{
					/* 接收客户端发来的数据并显示出来 */
					iRecvLen = recv(iSocketClient, ucRecvBuf, 999, 0);
					if (iRecvLen <= 0)
					{
						close(iSocketClient);
						return -1;
					}
					else
					{
						ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
						printf("Get Msg From Client %d: %s\n", iClientNum, ucRecvBuf);
					}
				}				
			}
		}
	}
	
	close(iSocketServer);
	return 0;
}

client.c：

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

/* socket
 * connect
 * send/recv
 */

#define SERVER_PORT 8888

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	
	int iRet;
	unsigned char ucSendBuf[1000];
	int iSendLen;

	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage:\n");
		printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	//tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 	if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
 	{
		printf("invalid server_ip\n");
		return -1;
	}
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);


	iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));	
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("connect error!\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
		{
			iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
			if (iSendLen <= 0)
			{
				close(iSocketClient);
				return -1;
			}
		}
	}
	
	return 0;
}

2.2 UDP编程

对于server来说只需要2步：socket、bind；对于client来说可一步也可以两步：socket、connect(非必须)
用sendto/recvfrom来传输数据，对于client有connect可以用send/recv来传输数据

server.c：

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>


/* socket
 * bind
 * sendto/recvfrom
 */

#define SERVER_PORT 8888

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketServer;
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	struct sockaddr_in tSocketClientAddr;
	int iRet;
	int iAddrLen;

	int iRecvLen;
	unsigned char ucRecvBuf[1000];

	int iClientNum = -1;
	
	iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if (-1 == iSocketServer)
	{
		printf("socket error!\n");
		return -1;
	}

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);
	
	iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("bind error!\n");
		return -1;
	}


	while (1)
	{
		iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
		iRecvLen = recvfrom(iSocketServer, ucRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);
		if (iRecvLen > 0)
		{
			ucRecvBuf[iRecvLen] = '\0';
			printf("Get Msg From %s : %s\n", inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr), ucRecvBuf);
		}
	}
	
	close(iSocketServer);
	return 0;
}

client.c：

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

/* socket
 * connect
 * send/recv
 */

#define SERVER_PORT 8888

int main(int argc, char **argv)
{
	int iSocketClient;
	struct sockaddr_in tSocketServerAddr;
	
	int iRet;
	unsigned char ucSendBuf[1000];
	int iSendLen;
	int iAddrLen;

	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage:\n");
		printf("%s <server_ip>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	tSocketServerAddr.sin_family      = AF_INET;
	tSocketServerAddr.sin_port        = htons(SERVER_PORT);  /* host to net, short */
 	//tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 	if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr))
 	{
		printf("invalid server_ip\n");
		return -1;
	}
	memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);

#if 0
	iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));	
	if (-1 == iRet)
	{
		printf("connect error!\n");
		return -1;
	}
#endif

	while (1)
	{
		if (fgets(ucSendBuf, 999, stdin))
		{
#if 0
			iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0);
#else
			iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);
			iSendLen = sendto(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0,
			                      (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, iAddrLen);

#endif
			if (iSendLen <= 0)
			{
				close(iSocketClient);
				return -1;
			}
		}
	}
	
	return 0;
}

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