Socket

[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。

[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PF_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。
　　 * 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。

[Socket配置]
　　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 结构类型是用来保存socket信息的:

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

　　 --- sa_family一般为AF_INET, 代表Internet（TCP/IP）地址族;
         --- sa_data则包含该socket的IP地址和端口号。

　　 另外还有一种结构类型:

　　 struct sockaddr_in
        {
    　　 short int sin_family;  /* 地址族 */
    　　 unsigned short int sin_port;  /* 端口号 */
    　　 struct in_addr sin_addr;  /* IP地址 */
    　　 unsigned char sin_zero[8];  /* 填充0 以保持与struct sockaddr同样大小 */
　　 };
　　这个结构更方便使用。
        --- sin_zero用来将sockaddr_in结构填充到与struct sockaddr同样的长度, 可以用bzero()或memset()函数将其置为零。
        --- 指向sockaddr_in 的指针和指向sockaddr的指针可以相互转换, 这意味着如果一个函数所需参数类型是sockaddr时, 你可以在函数调用的时候将一个指向
         sockaddr_in的指针转换为指向sockaddr的指针; 或者相反。

　　使用bind函数时, 可以用下面的赋值实现自动获得本机IP地址和随机获取一个没有被占用的端口号:

　　 my_addr.sin_port = 0;  /* 系统随机选择一个未被使用的端口号 */
　　 my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  /* 填入本机IP地址 */

    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。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。

　　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。
　　 下面是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。

[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。

                进行客户端程序设计无须调用bind(), 因为这种情况下只需知道目的机器的IP地址, 而客户通过哪个端口与服务器建立连接并不需要关心, socket
         执行体为你的程序自动选择一个未被占用的端口, 并通知你的程序数据什么时候到打断口。
　　 Connect函数启动和远端主机的直接连接。只有面向连接的客户程序使用socket时才需要将此socket与远端主机相连。无连接协议从不建立直接连接。
        面向连接的服务器也从不启动一个连接, 它只是被动的在协议端口监听客户的请求。

　　 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（参考下文）。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。

　　首先, 当accept函数监视的 socket收到连接请求时, socket执行体将建立一个新的socket, 执行体将这个新socket和请求连接进程的地址联系起来, 收到服务
请求的初始socket仍可以继续在以前的 socket上监听, 同时可以在新的socket描述符上进行数据传输操作。

[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。
char *msg = "Hello!";
int len, bytes_sent;
……
len = strlen(msg);
bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);
……
　　 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。

[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);
　　 --- Sockfd是需要关闭的socket的描述符。参数 how允许为shutdown操作选择以下几种方式:
　　 ·0-------不允许继续接收数据
　　 ·1-------不允许继续发送数据
　　 ·2-------不允许继续发送和接收数据,
　　 ·均为允许则调用close ()
　　 --- shutdown在操作成功时返回0, 在出现错误时返回-1并置相应errno。

[Socket编程实例]
　　 代码实例中的服务器通过socket连接向客户端发送字符串"Hello, you are connected!"。只要在服务器上运行该服务器软件, 在客户端运行客户软件, 客户
端就会收到该字符串。
　　 该服务器软件代码如下:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVPORT 3333 /*服务器监听端口号 */
#define BACKLOG 10 /* 最大同时连接请求数 */
main()
{
     int sockfd,client_fd;  /*sock_fd: 监听socket; client_fd: 数据传输socket */
　 struct sockaddr_in my_addr;  /* 本机地址信息 */
　 struct sockaddr_in remote_addr;  /* 客户端地址信息 */
　 if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
     {
　　 perror("socket创建出错！");
         exit(1);
　 }
　 my_addr.sin_family = AF_INET;
　 my_addr.sin_port = htons(SERVPORT);
　 my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
　 bzero(&(my_addr.sin_zero), 8);
　 if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) & my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
     {
　 　 perror("bind出错！");
　 　 exit(1);
　 }
　 if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1)
     {
　 　 perror("listen出错！");
　 　 exit(1);
　 }
　 while (1)
     {
　　 sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
　　 if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *) & remote_addr, &sin_size)) == -1)
         {
　 　 　 perror("accept出错");
　 　 　 continue;
　 　}
　　 printf("received a connection from %s\n", inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));
　 　if (!fork())
         { /* 子进程代码段 */
　　 　 if (send(client_fd, "Hello, you are connected!\n", 26, 0) == -1)
　　 　     perror("send出错！");
　 　 　close(client_fd);
　 　 　exit(0);
　 　}
　　 close(client_fd);
　　 }
　 } // end while(1)
}

　　服务器的工作流程是这样的: 首先调用socket函数创建一个Socket, 然后调用bind函数将其与本机地址以及一个本地端口号绑定, 然后调用 listen在相应的socket上监听, 当accpet接收到一个连接服务请求时, 将生成一个新的socket。服务器显示该客户机的IP地址, 并通过新的socket向客户端发送字符串"Hello, you are connected!"。最后关闭该socket。
　　代码实例中的fork()函数生成一个子进程来处理数据传输部分, fork()语句对于子进程返回的值为0。所以包含fork函数的if语句是子进程代码部分, 它与if语句后面的父进程代码部分是并发执行的。

客户端程序代码如下:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVPORT 3333
#define MAXDATASIZE 100 /*每次最大数据传输量 */
main(int argc, char *argv[]){
　 int sockfd, recvbytes;
　 char buf[MAXDATASIZE];
　 struct hostent *host;
　 struct sockaddr_in serv_addr;
　 if (argc < 2) {
fprintf(stderr,"Please enter the server's hostname!\n");
exit(1);
}
　 if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) {
herror("gethostbyname出错！");
exit(1);
}
　 if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
perror("socket创建出错！");
exit(1);
}
　 serv_addr.sin_family=AF_INET;
　 serv_addr.sin_port=htons(SERVPORT);
　 serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
　 bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);
　 if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, \
　　 sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
perror("connect出错！");
exit(1);
}
　 if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1) {
perror("recv出错！");
exit(1);
}
　 buf[recvbytes] = '\0';
　 printf("Received:  %s",buf);
　 close(sockfd);
}
　　客户端程序首先通过服务器域名获得服务器的IP地址, 然后创建一个socket, 调用connect函数与服务器建立连接, 连接成功之后接收从服务器发送过来的数据, 最后关闭socket。
　　函数gethostbyname()是完成域名转换的。由于IP地址难以记忆和读写, 所以为了方便, 人们常常用域名来表示主机, 这就需要进行域名和IP地址的转换? ???臀?
　　 struct hostent *gethostbyname(const char *name);
　　 函数返回为hosten的结构类型, 它的定义如下:
　　 struct hostent {
　 char *h_name;  /* 主机的官方域名 */
　　 char **h_aliases;  /* 一个以NULL结尾的主机别名数组 */
　　 int h_addrtype;  /* 返回的地址类型, 在Internet环境下为AF-INET */
　　 int h_length;  /* 地址的字节长度 */
　　 char **h_addr_list;  /* 一个以0结尾的数组, 包含该主机的所有地址*/
　　 };
　　 #define h_addr h_addr_list[0] /*在h-addr-list中的第一个地址*/
　　 当 gethostname()调用成功时, 返回指向struct hosten的指针, 当调用失败时返回-1。当调用gethostbyname时, 你不能使用perror()函数来输出错误信息, 而应该使用herror()函数来输出。

　　无连接的客户/服务器程序的在原理上和连接的客户/服务器是一样的, 两者的区别在于无连接的客户/服务器中的客户一般不需要建立连接, 而且在发送接收数据时, 需要指定远端机的地址。

阻塞和非阻塞
　　阻塞函数在完成其指定的任务以前不允许程序调用另一个函数。例如, 程序执行一个读数据的函数调用时, 在此函数完成读操作以前将不会执行下一程序语句。当服务器运行到accept语句时, 而没有客户连接服务请求到来, 服务器就会停止在accept语句上等待连接服务请求的到来。这种情况称为阻塞（blocking）。而非阻塞操作则可以立即完成。比如, 如果你希望服务器仅仅注意检查是否有客户在等待连接, 有就接受连接, 否则就继续做其他事情, 则可以通过将Socket设置为非阻塞方式来实现。非阻塞socket在没有客户在等待时就使accept调用立即返回。
　　 #include
　　 #include
　　 ……
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
fcntl(sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK);
……
　　通过设置socket为非阻塞方式, 可以实现"轮询"若干Socket。当企图从一个没有数据等待处理的非阻塞Socket读入数据时, 函数将立即返回, 返回值为-1, 并置errno值为EWOULDBLOCK。但是这种"轮询"会使CPU处于忙等待方式, 从而降低性能, 浪费系统资源。而调用 select()会有效地解决这个问题, 它允许你把进程本身挂起来, 而同时使系统内核监听所要求的一组文件描述符的任何活动, 只要确认在任何被监控的文件描述符上出现活动, select()调用将返回指示该文件描述符已准备好的信息, 从而实现了为进程选出随机的变化, 而不必由进程本身对输入进行测试而浪费 CPU开销。Select函数原型为:
int select(int numfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);
　　其中readfds、writefds、exceptfds分别是被select()监视的读、写和异常处理的文件描述符集合。如果你希望确定是否可以从标准输入和某个socket描述符读取数据, 你只需要将标准输入的文件描述符0和相应的sockdtfd加入到readfds集合中; numfds的值是需要检查的号码最高的文件描述符加1, 这个例子中numfds的值应为sockfd+1; 当select返回时, readfds将被修改, 指示某个文件描述符已经准备被读取, 你可以通过FD_ISSSET()来测试。为了实现fd_set中对应的文件描述符的设置、复位和测试, 它提供了一组宏:
　　 FD_ZERO(fd_set *set)----清除一个文件描述符集;
　　 FD_SET(int fd,fd_set *set)----将一个文件描述符加入文件描述符集中;
　　 FD_CLR(int fd,fd_set *set)----将一个文件描述符从文件描述符集中清除;
　　 FD_ISSET(int fd,fd_set *set)----试判断是否文件描述符被置位。
　　 Timeout参数是一个指向struct timeval类型的指针, 它可以使select()在等待timeout长时间后没有文件描述符准备好即返回。struct timeval数据结构为:
　　 struct timeval {
　　 int tv_sec;  /* seconds */
　　 int tv_usec;  /* microseconds */
};

POP3客户端实例
　　下面的代码实例基于POP3的客户协议, 与邮件服务器连接并取回指定用户帐号的邮件。与邮件服务器交互的命令存储在字符串数组POPMessage中, 程序通过一个do-while循环依次发送这些命令。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define POP3SERVPORT 110
#define MAXDATASIZE 4096

main(int argc, char *argv[]){
int sockfd;
struct hostent *host;
struct sockaddr_in serv_addr;
char *POPMessage[]={
"USER userid\r\n",
"PASS password\r\n",
"STAT\r\n",
"LIST\r\n",
"RETR 1\r\n",
"DELE 1\r\n",
"QUIT\r\n",
NULL
};
int iLength;
int iMsg=0;
int iEnd=0;
char buf[MAXDATASIZE];

if((host=gethostbyname("your.server"))==NULL) {
perror("gethostbyname error");
exit(1);
}
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
perror("socket error");
exit(1);
}
serv_addr.sin_family=AF_INET;
serv_addr.sin_port=htons(POP3SERVPORT);
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1){
perror("connect error");
exit(1);
}

do {
send(sockfd,POPMessage[iMsg],strlen(POPMessage[iMsg]),0);
printf("have sent:  %s",POPMessage[iMsg]);

iLength=recv(sockfd,buf+iEnd,sizeof(buf)-iEnd,0);
iEnd+=iLength;
buf[iEnd]='\0';
printf("received:  %s,%d\n",buf,iMsg);

iMsg++;
} while (POPMessage[iMsg]);

close(sockfd);
}