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
一、TCP/IP UDP SCTP 等协议介绍
请参考<<TCP IP 协议详解 卷1>>
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); }
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:
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:
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