Unix 网络编程（阅读笔记 一Socket基础篇）

--Unix Network Programming

由 王宇 原创并发布

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一、TCP/IP UDP SCTP 等协议介绍

请参考<<TCP IP 协议详解 卷1>>

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二、字符反射服务程序代码：

本文代码，在以下环境下编译通过

• CentOS 6.4
• Kernal version: 2.6.32
• GCC version: 4.4.7

1 TCP Echo Server:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<netinet/in.h>
#include<errno.h>

#define SA struct sockaddr
#define SERV_PORT 51000
#define MAXLINE 4096 
#define LISTENQ 1024

void str_echo(int socket_fd)
{
    ssize_t n;
    char buf[MAXLINE];

again:
    while( (n = read(socket_fd, buf, sizeof(buf))) > 0)
    {
        if(write(socket_fd, buf, n) == -1 )
        {
            perror("Error:write.\n");
        }
        else
        {
            printf("Echo string: %s\n", buf);   
        }
    }

    if( n < 0 && errno == EINTR)
    {
        goto again;
    }
    else if(n < 0)
    {
        perror("ERROR: str_echo\n");
    }

}


int main()
{
    int socket_fd, connect_fd;  
    struct sockaddr_in servaddr, clientaddr;
    socklen_t client_len;
    pid_t child_pid;

    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    if(socket_fd == -1)
    {
        perror("Error: created socket!\n");
        exit(1);
    }

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    if((bind(socket_fd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr))) == -1)
    {
        perror("Error: Bind port!\n");
        exit(1);
    }

    if((listen(socket_fd, LISTENQ)) == -1)
    {
        perror("Error: Listen!\n");
        exit(1);
    }

    for(;;)
    {
        client_len = sizeof(clientaddr);
        connect_fd = accept(socket_fd, (SA *)&clientaddr, &client_len);

        if((child_pid = fork()) == 0)
        {
            close(socket_fd);
            str_echo(connect_fd);
            exit(0);
        }

        close(connect_fd);
    }

    exit(0);
}

 

2 TCP Echo Client:

 

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/select.h>
#include<errno.h>

#define SERV_PORT 51000
#define MAXLINE 4096 
#define SA struct sockaddr

#define min(a,b)    ((a) < (b) ? (a) : (b))
#define max(a,b)    ((a) > (b) ? (a) : (b))

char* Ip_address = "127.0.0.1";


ssize_t writen(int fd, const void *vptr, size_t n)
{
    size_t nleft;
    ssize_t nwritten;
    const char *ptr;

    ptr = vptr;
    nleft = n;
    while(nleft > 0)
    {
        if((nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0)
        {
            if(nwritten < 0 && errno == EINTR)
            {
                nwritten = 0;
            }
            else
            {
                return(-1);
            }

        }

        nleft -= nwritten;
        ptr += nwritten;    
    }

    return(n);
}

void str_cli(FILE *fp, int socket_fd)
{
    int n, max_fd, stdin_eof = 0;
    fd_set rset;
    char buf[MAXLINE];

    FD_ZERO(&rset);

    for(;;)
    {
        if(stdin_eof == 0)
        {
            FD_SET(fileno(fp), &rset);  
        }

        FD_SET(socket_fd, &rset);

        max_fd = max(fileno(fp), socket_fd) + 1;

        if(FD_ISSET(socket_fd, &rset) != 0 ) /* socket is readable. */
        {
            if((n= read(socket_fd, buf, MAXLINE)) == 0)
            {
                if(stdin_eof == 1)
                {
                    return; /* normal termination */    
                }
                else
                {
                    perror("ERROR: server terminated prematurely.\n");  
                }
            }     
            write(fileno(stdout), buf, n);
        }

        if(FD_ISSET(fileno(fp), &rset) !=0 ) /* input is readable.  */
        {
            if((n =read(fileno(fp), buf, MAXLINE)) == 0)
            {
                stdin_eof = 1;
                shutdown(socket_fd, SHUT_WR); /* send FIN */
                FD_CLR(fileno(fp), &rset);
                continue;
            }

            writen(socket_fd, buf, n);
        }

    }
}


int main()
{
    int socket_fd, connect_rt;
    struct sockaddr_in servaddr;

    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    if(socket_fd == -1)
    {
        perror("Error: created socket!\n");
        exit(1);
    }

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, Ip_address, &servaddr.sin_addr);

    connect_rt = connect(socket_fd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    if(connect_rt != 0)
    {
        perror("Error: connect socket!\n");
        exit(1);
    }

    str_cli(stdin, socket_fd);


    exit(0);
}

 

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三、Socket

1 Socket 地址结构

sockaddr_in 是 "Internet socket address structure,"   定义在<netinet/in.h>中

 

2 地址参数

struct in_addr {
in_addr_t s_addr; /* 32-bit IPv4 address */
/*  network byte ordered */
};

struct sockaddr_in {
uint8_t sin_len; /* length of structure (16) */ 
sa_family_t sin_family; /* AF_INET */ 
in_port_t sin_port; /* 16-bit TCP or UDP port number */
/* network byte ordered */
struct in_addr sin_addr; /* 32-bit IPv4 address */ 
/* network byte ordered */ 
char sin_zero[8]; /* unused */ 
};

 

Socket 函数 bind connect 和 sendto 使用"socket address structure" ,即struct sockaddr， 但是"Internet socket address structure" 和 "socket address structure" 长度相互对应，所以可以通过C语言的强制类型转换：

#define struct sockaddr
(SA *)&servaddr

3 字节顺序

2字节，16位二进制整数，在内存中有两种排列顺序：

• The most significant bit (MSB) 从左到右，高位到低位
• The least significant bit(LSB) 从左到右，低位到高位

为了兼容主机字节顺序(Host byte order)和网络字节顺序(Network byte order)，提供了如下转换函数：

#include <netinet/in.h>

//Both return: value in network byte order
uint16_t htons(uint16_t host16bitvalue) ; // 主机字节顺序转网络字节顺序
uint32_t htonl(uint32_t host32bitvalue) ;


//Both return: value in host byte order
uint16_t ntohs(uint16_t net16bitvalue) ; // 网络字节顺序转主机字节顺序
uint32_t ntohl(uint32_t net32bitvalue) ;

4 字节操作函数

#include <strings.h>

//Returns: 0 if equal, nonzero if unequal  
void bzero(void *dest,size_tnbytes);                        //清零   
void bcopy(const void *src,void *dest,size_tnbytes);        //复制  
int bcmp(const void *ptr1,const void *ptr2,size_tnbytes);   //比较

5 地址转换函数

地址转换函数是网络地址(Internet addresss)与ASCII 字符之间的转换

#include <arpa/inet.h>

//Returns: 1 if string was valid, 0 on error
int inet_aton(const char *strptr,struct in_addr *addrptr);

//Returns: 32-bit binary network byte ordered IPv4 address; INADDR_NONE if error
in_addr_t inet_addr(const char *strptr);

//Returns: pointer to dotted-desimal string
char *inet_ntoa(struct in_addrinaddr);

 

6 表达(Presentation)与二进制数值（Numeric）转换函数

#include <arpa/inet.h>

//Returns: 1 if OK, 0 if input not a valid presentation format, -1 on error
int inet_pton(intfamily,const char *strptr,void *addrptr);

//Returns: pointer to result if OK, NULL on error
const char *inet_ntop(intfamily,const void *addrptr,char *strptr,size_tlen);

 

例如将字符型Ip地址转换成二进制地址：

char* Ip_address = "127.0.0.1";

inet_pton(AF_INET, Ip_address, &servaddr.sin_addr);

 

 

7 TCP Client/Server的初级函数

图：

 

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四、I/O 复用(Multiplexing): The 'select' and 'poll' Functions

当client进程运行到fgets() 时，此进程被内核阻塞，此时如果server发送一个FIN给client，它将不会得到一个正确的回复。为了解决这个问题，I/O mutiplexing 提供了select 和 poll 函数。

1 I/O 模式

• 阻塞 I/O
• 非阻塞 I/O
• I/O 复用(multiplexing) (select and poll)
• 信号驱动式 I/O
• 异步 I/O

2 阻塞 I/O

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（线程进入非可执行状态，在这个状态下，cpu不会给线程分配时间片，即线程暂停运行）。函数只有在得到结果之后才会返回。

图：

 

3 非阻塞 I/O

当我们设置socket 为非阻塞时，我们正是在告诉内核：I/O 操作没有完成时（底层资源没有准备好），不需要将进程处于睡眠状态，而是直接返回一个错误作为替代。

图：

 

4 I/O 复用(multiplexing) (select and poll)

I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。

例如：同时阻塞client 的fgets() 和socket

图：