C 网络编程（3）

6. 高级套接字函数
在前面的几个部分里面,我们已经学会了怎么样从网络上读写信息了.前面的一些函数(r
ead,write)是网络程序里面最基本的函数.也是最原始的通信函数.在这一章里面,我们一
起来学习网络通信的高级函数.这一章我们学习另外几个读写函数.
6.1 recv和send
recv和send函数提供了和read和write差不多的功能.不过它们提供 了第四个参数来控制
读写操作.
int recv(int sockfd,void *buf,int len,int flags)
int send(int sockfd,void *buf,int len,int flags)
前面的三个参数和read,write一样,第四个参数可以是0或者是以下的组合
_______________________________________________________________
| MSG_DONTROUTE | 不查找路由表 |
| MSG_OOB | 接受或者发送带外数据 |
| MSG_PEEK | 查看数据,并不从系统缓冲区移走数据 |
| MSG_WAITALL | 等待所有数据 |
|--------------------------------------------------------------|
MSG_DONTROUTE:是send函数使用的标志.这个标志告诉IP协议.目的主机在本地网络上面
,没有必要查找路由表.这个标志一般用网络诊断和路由程序里面.
MSG_OOB:表示可以接收和发送带外的数据.关于带外数据我们以后会解释的.
MSG_PEEK:是recv函数的使用标志,表示只是从系统缓冲区中读取内容,而不清楚系统缓冲
区的内容.这样下次读的时候,仍然是一样的内容.一般在有多个进程读写数据时可以使用
这个标志.
MSG_WAITALL是recv函数的使用标志,表示等到所有的信息到达时才返回.使用这个标志的
时候recv回一直阻塞,直到指定的条件满足,或者是发生了错误. 1)当读到了指定的字节
时,函数正常返回.返回值等于len 2)当读到了文件的结尾时,函数正常返回.返回值小于
len 3)当操作发生错误时,返回-1,且设置错误为相应的错误号(errno)
如果flags为0,则和read,write一样的操作.还有其它的几个选项,不过我们实际上用的很
少,可以查看 Linux Programmer's Manual得到详细解释.
6.2 recvfrom和sendto
这两个函数一般用在非套接字的网络程序当中(UDP),我们已经在前面学会了.
6.3 recvmsg和sendmsg
recvmsg和sendmsg可以实现前面所有的读写函数的功能.
int recvmsg(int sockfd,struct msghdr *msg,int flags)
int sendmsg(int sockfd,struct msghdr *msg,int flags)
struct msghdr
{
void *msg_name;
int msg_namelen;
struct iovec *msg_iov;
int msg_iovlen;
void *msg_control;
int msg_controllen;
int msg_flags;
}
struct iovec
{
void *iov_base; /* 缓冲区开始的地址 */
size_t iov_len; /* 缓冲区的长度 */
}
msg_name和 msg_namelen当套接字是非面向连接时(UDP),它们存储接收和发送方的地址
信息.msg_name实际上是一个指向struct sockaddr的指针,msg_name是结构的长度.当套
接字是面向连接时,这两个值应设为NULL. msg_iov和msg_iovlen指出接受和发送的缓冲
区内容.msg_iov是一个结构指针,msg_iovlen指出这个结构数组的大小. msg_control和
msg_controllen这两个变量是用来接收和发送控制数据时的 msg_flags指定接受和发送
的操作选项.和recv,send的选项一样
6.4 套接字的关闭
关闭套接字有两个函数close和shutdown.用close时和我们关闭文件一样.
6.5 shutdown
int shutdown(int sockfd,int howto)
TCP连接是双向的(是可读写的),当我们使用close时,会把读写通道都关闭,有时侯我们希
望只关闭一个方向,这个时候我们可以使用shutdown.针对不同的howto,系统回采取不同
的关闭方式.
howto=0这个时候系统会关闭读通道.但是可以继续往接字描述符写.
howto=1关闭写通道,和上面相反,着时候就只可以读了.
howto=2关闭读写通道,和close一样 在多进程程序里面,如果有几个子进程共享一个套接
字时,如果我们使用shutdown, 那么所有的子进程都不能够操作了,这个时候我们只能够
使用close来关闭子进程的套接字描述符.



7. TCP/IP协议
你也许听说过TCP/IP协议,那么你知道到底什么是TCP,什么是IP吗?在这一章里面,我们一
起来学习这个目前网络上用最广泛的协议.
7.1 网络传输分层
如果你考过计算机等级考试,那么你就应该已经知道了网络传输分层这个概念.在网络上
,人们为了传输数据时的方便,把网络的传输分为7个层次.分别是:应用层,表示层,会话层
,传输层,网络层,数据链路层和物理层.分好了层以后,传输数据时,上一层如果要数据的
话,就可以直接向下一层要了,而不必要管数据传输的细节.下一层也只向它的上一层提供
数据,而不要去管其它东西了.如果你不想考试,你没有必要去记这些东西的.只要知道是
分层的,而且各层的作用不同.
7.2 IP协议
IP协议是在网络层的协议.它主要完成数据包的发送作用. 下面这个表是IP4的数据包格
式
0 4 8 16 32
--------------------------------------------------
|版本 |首部长度|服务类型| 数据包总长 |
--------------------------------------------------
| 标识 |DF |MF| 碎片偏移 |
--------------------------------------------------
| 生存时间 | 协议 | 首部较验和 |
------------------------------------------------
| 源IP地址 |
------------------------------------------------
| 目的IP地址 |
-------------------------------------------------
| 选项 |
=================================================
| 数据 |
-------------------------------------------------
下面我们看一看IP的结构定义;
struct ip
{
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
unsigned int ip_hl:4; /* header length */
unsigned int ip_v:4; /* version */
#endif
#if __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
unsigned int ip_v:4; /* version */
unsigned int ip_hl:4; /* header length */
#endif
u_int8_t ip_tos; /* type of service */
u_short ip_len; /* total length */
u_short ip_id; /* identification */
u_short ip_off; /* fragment offset field */
#define IP_RF 0x8000 /* reserved fragment flag */
#define IP_DF 0x4000 /* dont fragment flag */
#define IP_MF 0x2000 /* more fragments flag */
#define IP_OFFMASK 0x1fff /* mask for fragmenting bits */
u_int8_t ip_ttl; /* time to live */
u_int8_t ip_p; /* protocol */
u_short ip_sum; /* checksum */
struct in_addr ip_src, ip_dst; /* source and dest address */
};
ip_vIP协议的版本号,这里是4,现在IPV6已经出来了
ip_hlIP包首部长度,这个值以4字节为单位.IP协议首部的固定长度为20个字节,如果IP包
没有选项,那么这个值为5.
ip_tos服务类型,说明提供的优先权.
ip_len说明IP数据的长度.以字节为单位.
ip_id标识这个IP数据包.
ip_off碎片偏移,这和上面ID一起用来重组碎片的.
ip_ttl生存时间.没经过一个路由的时候减一,直到为0时被抛弃.
ip_p协议,表示创建这个IP数据包的高层协议.如TCP,UDP协议.
ip_sum首部校验和,提供对首部数据的校验.
ip_src,ip_dst发送者和接收者的IP地址
关于IP协议的详细情况,请参考 RFC791
7.3 ICMP协议
ICMP是消息控制协议,也处于网络层.在网络上传递IP数据包时,如果发生了错误,那么就
会用ICMP协议来报告错误.
ICMP包的结构如下:
0 8 16 32
---------------------------------------------------------------------
| 类型 | 代码 | 校验和 |
--------------------------------------------------------------------
| 数据 | 数据 |
--------------------------------------------------------------------
ICMP在;中的定义是
struct icmphdr
{
u_int8_t type; /* message type */
u_int8_t code; /* type sub-code */
u_int16_t checksum;
union
{
struct
{
u_int16_t id;
u_int16_t sequence;
} echo; /* echo datagram */
u_int32_t gateway; /* gateway address */
struct
{
u_int16_t __unused;
u_int16_t mtu;
} frag; /* path mtu discovery */
} un;
};
关于ICMP协议的详细情况可以查看 RFC792
7.4 UDP协议
UDP协议是建立在IP协议基础之上的,用在传输层的协议.UDP和IP协议一样是不可靠的数
据报服务.UDP的头格式为:
0 16 32
---------------------------------------------------
| UDP源端口 | UDP目的端口 |
---------------------------------------------------
| UDP数据报长度 | UDP数据报校验 |
---------------------------------------------------
UDP结构在;中的定义为:
struct udphdr {
u_int16_t source;
u_int16_t dest;
u_int16_t len;
u_int16_t check;
};
关于UDP协议的详细情况,请参考 RFC768
7.5 TCP
TCP协议也是建立在IP协议之上的,不过TCP协议是可靠的.按照顺序发送的.TCP的数据结
构比前面的结构都要复杂.
0 4 8 10 16 24 32
-------------------------------------------------------------------
| 源端口 | 目的端口 |
-------------------------------------------------------------------
| 序列号 |
------------------------------------------------------------------
| 确认号 |
------------------------------------------------------------------
| | |U|A|P|S|F| |
|首部长度| 保留 |R|C|S|Y|I| 窗口 |
| | |G|K|H|N|N| |
-----------------------------------------------------------------
| 校验和 | 紧急指针 |
-----------------------------------------------------------------
| 选项 | 填充字节 |
-----------------------------------------------------------------
TCP的结构在;中定义为:
struct tcphdr
{
u_int16_t source;
u_int16_t dest;
u_int32_t seq;
u_int32_t ack_seq;
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
u_int16_t res1:4;
u_int16_t doff:4;
u_int16_t fin:1;
u_int16_t syn:1;
u_int16_t rst:1;
u_int16_t psh:1;
u_int16_t ack:1;
u_int16_t urg:1;
u_int16_t res2:2;
#elif __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
u_int16_t doff:4;
u_int16_t res1:4;
u_int16_t res2:2;
u_int16_t urg:1;
u_int16_t ack:1;
u_int16_t psh:1;
u_int16_t rst:1;
u_int16_t syn:1;
u_int16_t fin:1;
#endif
u_int16_t window;
u_int16_t check;
u_int16_t urg_prt;
};
source发送TCP数据的源端口
dest接受TCP数据的目的端口
seq标识该TCP所包含的数据字节的开始序列号
ack_seq确认序列号,表示接受方下一次接受的数据序列号.
doff数据首部长度.和IP协议一样,以4字节为单位.一般的时候为5
urg如果设置紧急数据指针,则该位为1
ack如果确认号正确,那么为1
psh如果设置为1,那么接收方收到数据后,立即交给上一层程序
rst为1的时候,表示请求重新连接
syn为1的时候,表示请求建立连接
fin为1的时候,表示亲戚关闭连接
window窗口,告诉接收者可以接收的大小
check对TCP数据进行较核
urg_ptr如果urg=1,那么指出紧急数据对于历史数据开始的序列号的偏移值
关于TCP协议的详细情况,请查看 RFC793
7.6 TCP连接的建立
TCP协议是一种可靠的连接,为了保证连接的可靠性,TCP的连接要分为几个步骤.我们把这
个连接过程称为"三次握手".
下面我们从一个实例来分析建立连接的过程.
第一步客户机向服务器发送一个TCP数据包,表示请求建立连接. 为此,客户端将数据包的
SYN位设置为1,并且设置序列号seq=1000(我们假设为1000).
第二步服务器收到了数据包,并从SYN位为1知道这是一个建立请求的连接.于是服务器也
向客户端发送一个TCP数据包.因为是响应客户机的请求,于是服务器设置ACK为1,sak_se
q=1001(1000+1)同时设置自己的序列号.seq=2000(我们假设为2000).
第三步客户机收到了服务器的TCP,并从ACK为1和ack_seq=1001知道是从服务器来的确认
信息.于是客户机也向服务器发送确认信息.客户机设置ACK=1,和ack_seq=2001,seq=100
1,发送给服务器.至此客户端完成连接.
最后一步服务器受到确认信息,也完成连接.
通过上面几个步骤,一个TCP连接就建立了.当然在建立过程中可能出现错误,不过TCP协议
可以保证自己去处理错误的.
说一说其中的一种错误.
听说过DOS吗?(可不是操作系统啊).今年春节的时候,美国的五大网站一起受到攻击.攻
击者用的就是DOS(拒绝式服务)方式.概括的说一下原理.
客户机先进行第一个步骤.服务器收到后,进行第二个步骤.按照正常的TCP连接,客户机
应该进行第三个步骤.
不过攻击者实际上并不进行第三个步骤.因为客户端在进行第一个步骤的时候,修改了自
己的IP地址,就是说将一个实际上不存在的IP填充在自己IP数据包的发送者的IP一栏.这
样因为服务器发的IP地址没有人接收,所以服务端会收不到第三个步骤的确认信号,这样
服务务端会在那边一直等待,直到超时.
这样当有大量的客户发出请求后,服务端会有大量等待,直到所有的资源被用光,而不能再
接收客户机的请求.
这样当正常的用户向服务器发出请求时,由于没有了资源而不能成功.于是就出现了春节
时所出现的情况.
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8. 套接字选项
有时候我们要控制套接字的行为(如修改缓冲区的大小),这个时候我们就要控制套接字的
选项了.
8.1 getsockopt和setsockopt
int getsockopt(int sockfd,int level,int optname,void *optval,socklen_t *optl
en)
int setsockopt(int sockfd,int level,int optname,const void *optval,socklen_t
*optlen)
level指定控制套接字的层次.可以取三种值: 1)SOL_SOCKET:通用套接字选项. 2)IPPRO
TO_IP:IP选项. 3)IPPROTO_TCP:TCP选项.
optname指定控制的方式(选项的名称),我们下面详细解释
optval获得或者是设置套接字选项.根据选项名称的数据类型进行转换
选项名称 说明 数据类型
========================================================================
SOL_SOCKET
------------------------------------------------------------------------
SO_BROADCAST 允许发送广播数据 int
SO_DEBUG 允许调试 int
SO_DONTROUTE 不查找路由 int
SO_ERROR 获得套接字错误 int
SO_KEEPALIVE 保持连接 int
SO_LINGER 延迟关闭连接 struct linge
r
SO_OOBINLINE 带外数据放入正常数据流 int
SO_RCVBUF 接收缓冲区大小 int
SO_SNDBUF 发送缓冲区大小 int
SO_RCVLOWAT 接收缓冲区下限 int
SO_SNDLOWAT 发送缓冲区下限 int
SO_RCVTIMEO 接收超时 struct timev
al
SO_SNDTIMEO 发送超时 struct timev
al
SO_REUSERADDR 允许重用本地地址和端口 int
SO_TYPE 获得套接字类型 int
SO_BSDCOMPAT 与BSD系统兼容 int
==========================================================================
IPPROTO_IP
--------------------------------------------------------------------------
IP_HDRINCL 在数据包中包含IP首部 int
IP_OPTINOS IP首部选项 int
IP_TOS 服务类型
IP_TTL 生存时间 int
==========================================================================
IPPRO_TCP
--------------------------------------------------------------------------
TCP_MAXSEG TCP最大数据段的大小 int
TCP_NODELAY 不使用Nagle算法 int
=========================================================================
关于这些选项的详细情况请查看 Linux Programmer's Manual
8.2 ioctl
ioctl可以控制所有的文件描述符的情况,这里介绍一下控制套接字的选项.
int ioctl(int fd,int req,...)
==========================================================================
ioctl的控制选项
--------------------------------------------------------------------------
SIOCATMARK 是否到达带外标记 int
FIOASYNC 异步输入/输出标志 int
FIONREAD 缓冲区可读的字节数 int
==========================================================================
详细的选项请用 man ioctl_list 查看.