chapter 7 Socket程式設計
7-1 TCP/IP 簡介
如何以Linux C來設計網路程式
TCP/IP是一個協定，是一組支援網路溝通協定的集合。TCP/IP通訊協定的主要工作，是定義網路傳送時的資料單位，並說明一個資料單位應包含哪些資訊，以便讓接收此資料單位的電腦可以正確的解析訊息。
TCP/IP協定系統分成幾個不同的階層式元件，每一層元件負責一項工作，這個模型稱之為TCP/IP模組架構。
TCP/IP模組架構
一個TCP/IP模組架構包含4個階層，分為網路存取層、網際網路層、傳輸層和應用層。
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階層
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說明
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網路存取層
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提供一個與實體網路之間的界面，可讓主機具有與網路連接並發送IP封包的能力。
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網際網路層
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提供與硬體無關的邏輯位址，並將資料封包(packet)發送至網路上，並讓它們獨立的到達目的地。在此層中定義[IP協定](internet
protocol)，此協定為網際網路上的電腦，提供一個共同的定址結構，稱為IP位址。
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傳輸層
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為網際網路提供流程控制、錯誤檢查、回報服務，是與網路應用程式間的界面。TCP/IP模組定義二組協定，TCP和UDP。TCP是一個連結協定，透過
TCP可確保接收端收到完整、正確的資料。另一方面，UDP則是一個非連結協定，比TCP快，但可靠度差。
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應用層
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為網路除錯、檔案傳輸、遠端控制和網際網路活動提供應用程式，包含FTP、HTTP、SMTP、TELNET、與DNS等功能。
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7-2 socket基本概念
Linux作業系統使用socket觀念來設計網路程式，在使用TCP和UDP網路程式之前，必須先了解socket基本觀念。
socket 是一種可做雙向資料傳輸的通道，Linux程序可經由此裝置與本地端或是遠端的程序做溝通。
Linux socket分成unix-domain socket和internet-domain socket二種。unix-domain
socket又稱為local socket，主要用來與本地端的程序溝通。internet-domain socket用來與遠地端的程序溝通。
7-3 IPv4 socket定址結構
internet domain socket的定址結構可用來儲存IP位址、通訊埠等訊息。
IPv4是目前internet使用的網路定址模式，他的定址結構稱為sockaddr_in，定義如下：
結構：
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family;
/* AF_INET */
unsigned short int sin_port; /* port number */
struct in_addr sin_addr; /*
internet address */
};
其中的成員結構說明如下：
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結構成員
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說明
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sin_family
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用來說明socket所使用的定址模式，在此必須設為AF_INET，表示internet
domain的socket。
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sin_port
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用來表示TCP/IP的port
umber，設定sin_port必需使用htons函數作位元排序的動作。
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sin_addr
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是一個in_addr的結構變數，用來表示ip位址。
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in_addr結構的定義如下：
struct in_addr {
unsigned long int s_addr;
};
7-4 設定IPv4 socket定址結構
用來存放IP位址的s_addr是一個32位元unsigned
integer，但是ip通常會表示為xxx.xxx.xxx.xxx，例如192.168.1.100。可使用inet_addr()位址轉換函數將
192.168.1.100轉換為s_addr所要的32位元unsigned
integer。
inet_addr()
用來將xxx.xxx.xxx.xxx格式的ip位址轉換成32位元unsigned integer。格式
#include
#include
#include
unsigned long inet_addr(const char *string);
其中string是一個ip字串，格式為xxx.xxx.xxx.xxx。
位元排序函數
由於不同的CPU在儲存32位元整數時，會將4個位元組由高到低(例：motorola CPU)，或由低到高(例：intel
CPU)儲存，造成網路處理上的錯誤。因此在儲存TCP/IP的port number時，可以用位元排序函數來消除此問題。
常用的位元排序函數有二個：
格式
#include
unsigned long htonl(unsigned long hostlong);
unsigned short htons(unsigned short hostshort);
其中的引數說明
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引數
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說明
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hostlong
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欲轉換的整數為長整數
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hotshort
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欲轉換的整數為短整數
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範例
struct sockaddr_in adr_srvr;
adr_srvr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.1.100");
adr_srvr.sin_port=htons(8000);
7-5 socket相關函數
socket()
不論是TCP或UDP作為傳輸協定，都要透過socket作資料傳輸，首要工作是先建立socket。要建立socket可用socket()函數。
格式：
include
include
int socket(int domain, int type, protocol);
其中的引數說明：
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引數
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說明
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domain
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設定為AF_INET表示internet協定
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type
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連結的型態。
設定為SOCK_STRREAM表示TCP傳輸層協定。
設定為SOCK_DGRAM表示UCP傳輸層協定。
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protocol
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通訊協定，一般為0，表示自動選擇。
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傳回值：
成功：傳回socket ID。
失敗：傳回-1。
bind()
將IPv4 socket定址結構連結到所建立的socket，以後當有封包抵達往路介面時，Linux核心便會將這個封包導向到其連結的socket。
格式
#include
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *my_addr, size_t adr_len);
其中的引數說明：
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引數
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說明
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sockfd
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socket函數執行後傳回的socket ID
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my_addr
|
指向socket sockaddr_in結構的指標，用來存放連結的IPv4定址結構
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adr_len
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struct sockaddr_in結構的長度，可將其指定為sizeof(struct
sockaddr_in)
|
傳回值
成功：傳回0
失敗：傳回-1
listen()
建立socket，做好bind後，在server端使用listen()函數來通知Linux核心將其設為listening
socket，等待client端的連線要 求。
格式：
#include
int listen(int sockfd, int backlog);
其中的引數說明：
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引數
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說明
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sockfd
|
socket函數執行後傳回的socket ID
|
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backlog
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指定最大連線的數量，通常為5
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傳回值
成功：傳回0
失敗：傳回-1
accept()
當server端接收到client端的連線請求時，就會把連線請求放在連線佇列中，接著server端必須呼叫accept函數來處理並接受佇列中的連線請求。
格式：
#include
int accept(int socketfd, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
其中的引數說明：
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引數
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說明
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sockfd
|
socket函數執行後傳回的socket ID
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addr
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指向struct sockaddr_in結構的指標，用來存放client端的IP
address
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addrlen
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存放client IP address變數的長度，初值為sizeof(struct
sockaddr_in)，accept()執行成功後會回存實際的client ip
address長度。
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傳回值
成功：傳回client的socket ID，稱為connect socket。
失敗：傳回-1
connect()
client端建立socket後，可用connect()函數向server端要求建立連線，在確定連線後，client端和sever端就能開始互相傳送資料。
格式：
#include
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);
其中的引數說明：
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引數
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說明
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sockfd
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socket函數執行後傳回的socket ID
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serv_addr
|
指向struct
sockaddr_in結構的指標，用來存放server的address1
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addrlen
|
struct sockaddr_in結構的長度，可指定為sizeof(struct
sockaddr_in)
|
傳回值
成功：傳回0
失敗：傳回-1
close()
呼叫close()終止client端和server端的連線。
格式
#include
int clode(int sockfd);
傳回值
成功：傳回0
失敗：傳回-1
7-6 設計tcp網路程式
網路程式會分成client端和server端。
設計TCP client端
1.建立socket(使用socket()函數)
2.向server要求連線(使用connect()函數)
3.若連線成功，使用輸出入函數和server端互傳訊息
4.關閉socket，結束連線(使用close()函數)
設計TCP server端
1.建立socket(使用socket()函數)
2.連結socket(使用bind()函數)
3.開啟listening socket(使用listen()函數)
4.等待client連線要求(使用accept()函數)
5.若連線成功，使用輸出入函數和client端互傳訊息
6.關閉socket，結束連線(使用close()函數)
TCP程式設計流程
特殊的TCP port number
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20
|
TCP
|
FTP - data port Official
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21
|
TCP
|
FTP - control (command) port Official
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22
|
TCP
|
SSH (Secure Shell) - used for secure logins, file transfers (scp, sftp) and port forwarding Official
|
|
23
|
TCP
|
Telnet protocol - unencrypted text communications Official
|
|
25
|
TCP
|
SMTP - used for e-mail routing between mailservers E-mails Official
|
|
53
|
TCP
|
DNS (Domain Name System) Official
|
|
80
|
TCP
|
HTTP (HyperText Transfer Protocol) - used for transferring web pages Official
|
|
80
|
TCP
|
HTTP - HTTP listening port Official
|
|
110
|
TCP
|
POP3 (Post Office Protocol version 3) - used for sending/retrieving E-mails
|
|
137
|
TCP
|
NetBIOS NetBIOS Name Service Official
|
|
138
|
TCP
|
NetBIOS NetBIOS Datagram Service Official
|
|
139
|
TCP
|
NetBIOS NetBIOS Session Service Official
|
7-7 TCP 輸出入函數
read()
從已經開啟的socket讀取資料
格式
#include
int read(int sockfd, char *buf, int len);
其中的引數說明：
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引數
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說明
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sockfd
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socket函數執行後傳回的socket ID
|
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buf
|
指向字元暫存器的指標，用來存放讀取到的資料
|
|
len
|
欲讀取的字元長度。
|
傳回值
成功：傳回接收的字元數
失敗：傳回-1
write()
將資料寫入已經開啟的socket
格式
#include
int write(int sockfd, char *buf, int len);
其中的引數說明：
|
引數
|
說明
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|
sockfd
|
socket函數執行後傳回的socket ID
|
|
buf
|
指向字元暫存器的指標，用來存放讀取到的資料
|
|
len
|
欲讀取的字元長度。
|
傳回值
成功：傳回寫入的字元數
失敗：傳回-1
recv()
從已經開啟的socket接收資料
格式
#include
#include
int recv(int s, void *buf, int len, unsigned int flags);
其中的引數說明：
ru; y xul4
將資料存到buf指向的記憶體，len為可接收的最大長度，flags一般設為0
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引數
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說明
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MSG_OOB
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接收以out-of-band送來的資料
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|
MSG_PEEK
|
遠端socket傳來的資料，不會在接收受刪除
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MSG_WAITALL
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固定接收len引數指定長度的資料，除非有錯誤或訊號發生
|
|
MSG_NOSIGNAL
|
接收動作不會因SIGPIPE訊號中斷
|
傳回值
成功：傳回接收的字元數
失敗：傳回-1
send()
從已經開啟的socket傳送資料
格式
#include
#include
int send(int s, const void *msg, int len, unsigned int flags);
其中的引數說明：
ru; y xul4
將buf指向的資料經由socket傳送到遠端，len為可傳送的最大長度，flags一般設為0
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引數
|
說明
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|
MSG_OOB
|
接收的資料以out-of-band送出
|
|
MSG_DONTROUTE
|
取消route的查詢
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|
MSG_DONTWAIT
|
傳送過程不可以被阻斷
|
|
MSG_NOSIGNAL
|
傳送動作不會因SIGPIPE訊號中斷
|
傳回值
成功：傳回傳送的字元數
失敗：傳回-1
7-8 TCP程式設計
目的：
撰寫TCP通訊協定的server端和client端程式。
要求：
1.server端建立socket，連結socket，等待client端連線。
2. client端建立socket，與server連線，連線成功後，將字串str傳給server。
3.server端若接受client端連線請求，則讀取client端傳過來的字串。處理後，將字串結果傳回client端。
4.client端收到結果後，將結果顯示在螢幕。
server端
/* server.c */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int port = 8000;
int main(void)
{
struct sockaddr_in sin;
struct sockaddr_in pin;
int mysock;
int tempsock;
int addrsize;
char str[100],str1[20],str2[20],str3[20];
char buf[100];
int i, len1, len2;
float c;
mysock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (mysock == -1) {
perror("call to socket"); //用來將上一個函數發生錯誤的原因輸出到標準錯誤(stderr) exit(1);
}
bzero(&sin, sizeof(sin)); //將一段內存內容全清為零 sin.sin_family = AF_INET;
sin.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //將32位主機字符順序轉換成網絡字符順序 sin.sin_port = htons(port); //用來將參數指定的16位元hostshort轉換成網絡字符順序 if (bind(mysock, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin)) == -1) {
perror("call to bind");
exit(1);
}
if (listen(mysock, 20) == -1) {
perror("call to listen");
exit(1);
}
printf("Accepting connections ...\n");
while(1) {
tempsock = accept(mysock, (struct sockaddr *)&pin, &addrsize);
if (tempsock == -1){
perror("call to accept");
exit(1);
}
len1=recv(tempsock, str, 100, 0); //接收遠端傳來的信息 printf("\n收到字元數: %d\n",len1); //將訊息輸出至終端機 str[len1]=0;
printf("received from client: %s\n", str);
if (len1 > 0) {
strcpy(str1,strtok(str," "));
printf("第 1 個字串為: %s\n",str1);
strcpy(str2,strtok(NULL," ")); //將參數src字符串拷貝至參數dest所指的地址 printf("第 2 個字串為: %s\n",str2);
strcpy(str3,strtok(NULL," "));
printf("第 3 個字串為: %s\n",str3);
c=atof(str3)*1.05; //將字符串轉換成浮點型數 sprintf(buf,"品號為 %s\n品名為 %s\n含稅價為: %.2f\n",str1, str2, c);
} //將字串格式化 len2 = strlen(buf); //計算字串長度 if (send(tempsock, buf, len2, 0) == -1) { //經socket傳送數據 perror("call to send");
exit(1);
}
close(tempsock);
}
return 0; }
|
client端
/* client.c */
#include
#include
#include
#include
#include
int port = 8000;
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sockaddr_in pin;
int mysock;
char buf[8192];
char *str="A001 電視機 20000.00 ";
if (argc < 2) {
printf("使用方法: client 字串\n");
printf("使用預設字串\n");
} else {
str=argv[1];
}
bzero(&pin, sizeof(pin)); //將一段內存內容全清為零 pin.sin_family = AF_INET;
pin.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.20");
pin.sin_port = htons(port);
mysock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (mysock == -1) {
perror("call to socket");
exit(1);
}
if (connect(mysock, (void *)&pin, sizeof(pin)) == -1) {
perror("call to connect");
exit(1);
}
printf("Sending message %s to server ...\n", str);
if (send(mysock, str, strlen(str), 0) == -1) {
perror("Error in send\n");
exit(1);
}
if (recv(mysock, buf, 8192, 0) == -1) {
perror("Error in receiving\n");
exit(1);
}
printf("\nResponse from server: \n\n%s\n", buf);
close(mysock);
return 0; }
|
程式設計 TCP
server端
#include
#include
#include
#include
#include
#define PORT 1234
#define MAXSOCKFD 10
main()
{
int sockfd,newsockfd,is_connected[MAXSOCKFD],fd;
struct sockaddr_in addr;
int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
fd_set readfds;
char buffer[256];
char msg[ ] =”Welcome to server!”;
/* 建立socket */
if ((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){
perror(“socket”);
exit(1);
}
/* 填寫server端的sockaddr_in結構 */
bzero(&addr,sizeof(addr));
addr.sin_family =AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
/* 連結socket */
if(bind(sockfd,&addr,sizeof(addr))<0){
perror(“connect”);
exit(1);
}
/* 等待連線 */
if(listen(sockfd,3)<0){
perror(“listen”);
exit(1);
}
/* */
for(fd=0;fd}
|
client端
/* 利用socket的TCP client
此程序會連線TCP server，並將鍵盤輸入的字符串傳送給server。
*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define PORT 1234
#define SERVER_IP “127.0.0.1”
main()
{
int s;
struct sockaddr_in addr;
char buffer[256]; /* 建立socket */ if((s = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){
perror(“socket”);
exit(1);
}
/* 填寫server端的sockaddr_in結構 */
bzero(&addr,sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port=htons(PORT);
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
/* 建立連線*/
if(connect(s,&addr,sizeof(addr))<0){
perror(“connect”);
exit(1);
}
/* 接收由server端傳來的信息*/
recv(s,buffer,sizeof(buffer),0);
printf(“%s\n”,buffer);
/* 將標準輸入的資料傳到server端 */
while(1){
bzero(buffer,sizeof(buffer));
/* 從標準輸入設備取得字符串*/
read(STDIN_FILENO,buffer,sizeof(buffer));
/* 將字符串傳給server端*/
if(send(s,buffer,sizeof(buffer),0)<0){
perror(“send”);
exit(1);
}
} }
|
7-9 指令引數列
指令列引數的使用方法，此功能可讓程式在執行時，接受使用者輸入一些字串，作為主程式的參數。
int main(int argc, char *argv[])
{
...
}
其中第一個引數argc會儲存使用者輸入的字串個數，第二個引數argv[]為字串指標陣列，指向使用者輸入字串的內容。例如，在執行client端時輸入下列字串：
./client "A002 音響 15000.00"
|
引數argc的值為2，引數argv[0]的值為client，引數argv[1]的值為A002
音響 15000.00。
7-10 設計UDP網路程式
UDP網路程式一樣分成client端程式設計和server端程式設計。
設計UDP client端
使用UDP通訊協定設計client端程式，步驟如下：
1. 建立socket(使用socket()函數)
2.以sendto()函數傳送資料給server端。
3.以recvfrom()函數接收server端傳來的資料。
4.關閉socket(使用close()函數)
設計UDP client端
1. 建立socket(使用socket()函數)
2.連結socket(使用bind()函數)
3.以recvfrom()函數接收client端傳來的資料。
4.以sendto()函數傳送資料給client端。
4.關閉socket(使用close()函數)
UDP函數設計流程
UDP與TCP網路程式設計的比較
由於UDP為非連結，不可信賴的協定，在傳送端和接收端不須建立連線。當UDP
server建立socket，連結socket後，client與server便可以透過sendto()函數與recvfrom()函數進行通訊。
特殊的UDP port number
|
20
|
UDP
|
FTP - data port Official
|
|
21
|
UDP
|
FTP - control (command) port Official
|
|
22
|
UDP
|
SSH (Secure Shell) - used for secure logins, file transfers (scp, sftp) and port forwarding Official
|
|
23
|
UDP
|
Telnet protocol - unencrypted text communications Official
|
|
25
|
UDP
|
SMTP - used for e-mail routing between mailservers E-mails Official
|
|
53
|
UDP
|
DNS (Domain Name System) Official
|
|
67
|
UDP
|
BOOTP (BootStrap Protocol) server; also used by DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Official
|
|
137
|
UDP
|
NetBIOS NetBIOS Name Service Official
|
|
138
|
UDP
|
NetBIOS NetBIOS Datagram Service Official
|
|
139
|
UDP
|
NetBIOS NetBIOS Session Service Official
|
7-11 UDP輸出入函數
sendto()
用來將資料從指定的socket傳給遠端主機，並且指定接收端網路位址。
格式：
#include
#include
int sendto (int s, const void *buf, int len, unsigned flags,
const struct sockaddr *to, int tolen);
引數說明如下：
|
引數
|
說明
|
|
s
|
傳送資料的socket ID
|
|
buf
|
暫存器指標，用來存放欲傳送的訊息
|
|
len
|
sizeof(buf)
|
|
flags
|
一般設為0
|
|
to
|
接收端網路位址
|
|
tolen
|
sizeof(to)
|
傳回值
成功：傳回傳送的字元數
失敗：傳回-1
recvfrom()
接收遠端主機從socket傳來的資料，並且同時接收傳送端的網路位址
格式：
#include
#include
int recvfrom (int s, void *buf, int len, unsigned flags,
struct sockaddr *from, int fromlen);
引數說明如下：
|
引數
|
說明
|
|
s
|
傳送資料的socket ID
|
|
buf
|
暫存器指標，用來存放欲傳送的訊息
|
|
len
|
sizeof(buf)
|
|
flags
|
一般設為0
|
|
from
|
接收端網路位址
|
|
fromlen
|
sizeof(from)
|
傳回值
成功：傳回接收的字元數
失敗：傳回-1
7-12 UDP程式設計
server端
/* udp_server.c */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int port = 8000;
int main()
{
int sockfd;
int len;
int z;
char buf[256];
struct sockaddr_in adr_inet;
struct sockaddr_in adr_clnt;
printf("等待 Client 端傳送資料...\n");
bzero(&adr_inet, sizeof(adr_inet));
adr_inet.sin_family = AF_INET;
adr_inet.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.20");
adr_inet.sin_port = htons(port);
len = sizeof(adr_clnt);
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror("socket error");
exit(1);
}
z = bind(sockfd,(struct sockaddr *)&adr_inet, sizeof(adr_inet));
if (z == -1) {
perror("bind error");
exit(1);
}
while(1) {
z = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&adr_clnt, &len);
if (z < 0) {
perror("recvfrom error");
exit(1);
}
buf[z] = 0;
printf("接收資料: %s", buf);
if (strncmp(buf, "stop", 4) == 0) {
printf("結束連結...\n");
break;
}
}
close(sockfd);
exit(0); }
|
client端
/* udp_client.c */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int port = 8000;
int main()
{
int sockfd;
int i=0;
int z;
char buf[80],str1[80];
struct sockaddr_in adr_srvr;
FILE *fp;
printf("開啟檔案...\n");
fp=fopen("product.txt","r");
if (fp == NULL) {
perror("open file");
exit(1);
}
printf("連結 server...\n");
bzero(&adr_srvr, sizeof(adr_srvr));
adr_srvr.sin_family = AF_INET;
adr_srvr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.20");
adr_srvr.sin_port = htons(port);
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror("socket error");
exit(1);
}
printf("傳送檔案內容...\n");
for(i=0; i<3; i++) {
fgets(str1,80,fp);
printf("第 %d 筆: %s\n",i,str1);
sprintf(buf, "第 %d 筆: %s\n", i,str1);
z = sendto(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&adr_srvr, sizeof(adr_srvr));
if (z < 0) {
perror("sendto error");
exit(1);
}
}
printf("傳送結束字串...\n");
sprintf(buf, "stop\n");
z = sendto(sockfd,buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&adr_srvr, sizeof(adr_srvr));
if (z < 0) {
perror("sendto error");
exit(1);
}
fclose(fp);
close(sockfd);
printf("訊息傳送結束.\n");
exit(0);
}
|
