socket编程原理[转贴]
<P>2004-04-23 15:18 pm作者：作者
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1 问题的引入
UNIX系统的I/O命令集，是从Maltics和早期系统中的命令演变出来的，其模式为打开一读/写一关闭（open-write-read- close）。在一个用户进程进行I/O操作时，它首先调用“打开”获得对指定文件或设备的使用权，并返回称为文件描述符的整型数，以描述用户在打开的文件或设备上进行I/O操作的进程。然后这个用户进程多次调用“读/写”以传输数据。当所有的传输操作完成后，用户进程关闭调用，通知操作系统已经完成了对某对象的使用。
TCP/IP协议被集成到UNIX内核中时，相当于在UNIX系统引入了一种新型的I/O操作。UNIX用户进程与网络协议的交互作用比用户进程与传统的I/O设备相互作用复杂得多。首先，进行网络操作的两个进程钥纪 客户方：
1. 打开一通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口；
2. 向服务器发服务请求报文，等待并接收应答；继续提出请求......
3. 请求结束后关闭通信通道并终止。
从上面所描述过程可知：
1. 客户与服务器进程的作用是非对称的，因此编码不同。
2. 服务进程一般是先涌纪 3.5 数据传输──send()与recv()
当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有send()和recv()。
send()调用用于钥纪 /* 建立套接字 */
sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sock < 0) {
perror(“opening stream socket”);
exit(1);
}
/* 使用命令行中指定的名字连接套接字 */
server.sin_family = AF_INET;
hp = gethostbyname(argv);
if (hp == 0) {
fprintf(stderr, “%s: unknown host ”, argv);
exit(2);
}
memcpy((char*)&server.sin_addr, (char*)hp->h_addr, hp->h_length);
sever.sin_port = htons(atoi(argv));
if (connect(sock, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) < 0) {
perror(“connecting stream socket”);
exit(3);
}
if (send(sock, DATA, sizeof(DATA)) < 0)
perror(“sending on stream socket”);
closesocket(sock);
exit(0);
}
2.5 一个通用的实例程序
在上一节中，我们介绍了一个简单的socket程序实例。从这个例子我们可以看出，使用socket编程几乎有一个模式，即所有的程序几乎毫无例外地按相同的顺序调用相同的函数。因此我们可以设想，设计一个中间层，它向上提供几个简单的函数，程序只要调用这几个函数就可以实现普通情考网考网下的数据传输，程序设计者不必太多地关心socket程序设计的细节。
本节我们将介绍一个通用的网络程序接口，它向上层提供几个简单的函数，程序设计者只要使用这几个函数就可以完成绝大多数情考网考网下的网络数据传输。这些函数将socket编程和上层隔离开来，它使用面向连接的流式套接字，采用非阻塞的工作机制，程序只要调用这些函数查询网络消息并作出相应的响应即可。这些函数包括：
l InitSocketsStruct：初始化socket结构，获取服务端口号。客户程序使用。
l InitPassiveSock：初始化socket结构，获取服务端口号，建立主套接字。服务器程序使用。
l CloseMainSock：关闭主套接字。服务器程序使用。
l CreateConnection：建立连接。客户程序使用。
l AcceptConnection：接收连接。服务器程序使用。
l CloseConnection：关闭连接。
l QuerySocketsMsg：查询套接字消息。
l SendPacket：发送数据。
l RecvPacket：接收数据。
2.5.1 头文件
/* File Name: tcpsock.h */
/* 头文件包括socket程序经常用到的系统头文件（本例中给出的是SCO Unix下的头文件，其它版本的Unix的头文件可能略有不同），并定义了我们自己的两个数据结构及其实例变量，以及我们提供的函数说明。*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
typedef struct SocketsMsg{ /* 套接字消息结构 */
int AcceptNum; /* 指示是否有外来连接等待接收 */
int ReadNum; /* 有外来数据等待读取的连接数 */
int ReadQueue; /* 有外来数据等待读取的连接队列 */
int WriteNum; /* 可以发送数据的连接数 */
int WriteQueue; /* 可以发送数据的连接队列 */
int ExceptNum; /* 有例外的连接数 */
int ExceptQueue; /* 有例外的连接队列 */
} SocketsMsg;
typedef struct Sockets { /* 套接字结构 */
int DaemonSock; /* 主套接字 */
int SockNum; /* 数据套接字数目 */
int Sockets; /* 数据套接字数组 */
fd_set readfds, writefds, exceptfds; /* 要被检测的可读、可写、例外的套接字集合 */
int Port; /* 端口号 */
} Sockets;
Sockets Mysock; /* 全局变量 */
SocketsMsg SockMsg;
int InitSocketsStruct(char * servicename) ;
int InitPassiveSock(char * servicename) ;
void CloseMainSock();
int CreateConnection(struct in_addr *sin_addr);
int AcceptConnection(struct in_addr *IPaddr);
int CloseConnection(int Sockno);
int QuerySocketsMsg();
int SendPacket(int Sockno, void *buf, int len);
int RecvPacket(int Sockno, void *buf, int size);
2.5.2 函数源文件
/* File Name: tcpsock.c */
/* 本文件给出九个函数的源代码，其中部分地方给出中文注释 */
#include "tcpsock.h"
int InitSocketsStruct(char * servicename)
/* Initialize Sockets structure. If succeed then return 1, else return error code (<0) */
/* 此函数用于只需要主动套接字的客户程序，它用来获取服务信息。服务的定义
在/etc/services文件中 */
{
struct servent *servrec;
struct sockaddr_in serv_addr;
if ((servrec = getservbyname(servicename, "tcp")) == NULL) {
return(-1);
}
bzero((char *)&Mysock, sizeof(Sockets));
Mysock.Port = servrec->s_port; /* Service Port in Network Byte Order */
return(1);
}
int InitPassiveSock(char * servicename)
/* Initialize Passive Socket. If succeed then return 1, else return error code (<0) */
/* 此函数用于需要被动套接字的服务器程序，它除了获取服务信息外，还建立
一个被动套接字。*/
{
int mainsock, flag=1;
struct servent *servrec;
struct sockaddr_in serv_addr;
if ((servrec = getservbyname(servicename, "tcp")) == NULL) {
return(-1);
}
bzero((char *)&Mysock, sizeof(Sockets));
Mysock.Port = servrec->s_port; /* Service Port in Network Byte Order */
if((mainsock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
return(-2);
}
bzero((char *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* 任意网络接口 */
serv_addr.sin_port = servrec->s_port;
if (bind(mainsock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
close(mainsock);
return(-3);
}
if (listen(mainsock, 5) == -1) { /* 将主动套接字变为被动套接字，准备好接收连接 */
close(mainsock);
return(-4);
}
/* Set this socket as a Non-blocking socket. */
if (ioctl(mainsock, FIONBIO, &flag) == -1) {
close(mainsock);
return(-5);
}
Mysock.DaemonSock = mainsock;
FD_SET(mainsock, &Mysock.readfds); /* 申明对主套接字“可读”感兴趣 */
FD_SET(mainsock, &Mysock.exceptfds); /* 申明对主套接字上例外事件感兴趣 */
return(1);
}
void CloseMainSock()
/* 关闭主套接字，并清除对它上面事件的申明。在程序结束前关闭主套接字是一个好习惯 */
{
close(Mysock.DaemonSock);
FD_CLR(Mysock.DaemonSock, &Mysock.readfds);
FD_CLR(Mysock.DaemonSock, &Mysock.exceptfds);
}
int CreateConnection(struct in_addr *sin_addr)
/* Create a Connection to remote host which IP address is in sin_addr.
Param: sin_addr indicates the IP address in Network Byte Order.
if succeed return the socket number which indicates this connection,
else return error code (<0) */
{
struct sockaddr_in server; /* server address */
int tmpsock, flag=1, i;
if ((tmpsock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
return(-1);
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = Mysock.Port;
server.sin_addr.s_addr = sin_addr->s_addr;
/* Set this socket as a Non-blocking socket. */
if (ioctl(tmpsock, FIONBIO, &flag) == -1) {
close(tmpsock);
return(-2);
}
/* Connect to the server. */
if (connect(tmpsock, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) < 0) {
if ((errno != EWOULDBLOCK) && (errno != EINPROGRESS)) {
/* 如果错误代码是EWOULDBLOCK和EINPROGRESS，则不用关闭套接字，因为系统将在之后继续为套接字建立连接，连接是否建立成功可用select()函数来检测套接字是否“可写”来确定。*/
close(tmpsock);
return(-3); /* Connect error. */
}
}
FD_SET(tmpsock, &Mysock.readfds);
FD_SET(tmpsock, &Mysock.writefds);
FD_SET(tmpsock, &Mysock.exceptfds);
i = 0;
while (Mysock.Sockets<i> != 0) i++; /* look for a blank sockets position */
if (i >= 64) {
close(tmpsock);
return(-4); /* too many connections */
}
Mysock.Sockets<i> = tmpsock;
Mysock.SockNum++;
return(i);
}
int AcceptConnection(struct in_addr *IPaddr)
/* Accept a connection. If succeed, return the data sockets number, else return -1. */
{
int newsock, len, flag=1, i;
struct sockaddr_in addr;
len = sizeof(addr);
bzero((char *)&addr, len);
if ((newsock = accept(Mysock.DaemonSock, &addr, &len)) == -1)
return(-1); /* Accept error. */
/* Set this socket as a Non-blocking socket. */
ioctl(newsock, FIONBIO, &flag);
FD_SET(newsock, &Mysock.readfds);
FD_SET(newsock, &Mysock.writefds);
FD_SET(newsock, &Mysock.exceptfds);
/* Return IP address in the Parameter. */
IPaddr->s_addr = addr.sin_addr.s_addr;
i = 0;
while (Mysock.Sockets<i> != 0) i++; /* look for a blank sockets position */
if (i >= 64) {
close(newsock);
return(-4); /* too many connections */
}
Mysock.Sockets<i> = newsock;
Mysock.SockNum++;
return(i);
}
int CloseConnection(int Sockno)
/* Close a connection indicated by Sockno. */
{
int retcode;
if ((Sockno >= 64) || (Sockno < 0) || (Mysock.Sockets == 0))
return(0);
retcode = close(Mysock.Sockets);
FD_CLR(Mysock.Sockets, &Mysock.readfds);
FD_CLR(Mysock.Sockets, &Mysock.writefds);
FD_CLR(Mysock.Sockets, &Mysock.exceptfds);
Mysock.Sockets = 0;
Mysock.SockNum--;
return(retcode);
}
int QuerySocketsMsg()
/* Query Sockets Message. If succeed return message number, else return -1.
The message information stored in struct SockMsg. */
{
fd_set rfds, wfds, efds;
int retcode, i;
struct timeval TimeOut;
rfds = Mysock.readfds;
wfds = Mysock.writefds;
efds = Mysock.exceptfds;
TimeOut.tv_sec = 0; /* 立即返回，不阻塞。*/
TimeOut.tv_usec = 0;
bzero((char *)&SockMsg, sizeof(SockMsg));
if ((retcode = select(64, &rfds, &wfds, &efds, &TimeOut)) == 0)
return(0);
if (FD_ISSET(Mysock.DaemonSock, &rfds))
SockMsg.AcceptNum = 1; /* some client call server. */
for (i=0; i<64; i++) /* Data in message */
{
if ((Mysock.Sockets<i> > 0) && (FD_ISSET(Mysock.Sockets<i>, &rfds)))
SockMsg.ReadQueue = i;
}
for (i=0; i<64; i++) /* Data out ready message */
{
if ((Mysock.Sockets<i> > 0) && (FD_ISSET(Mysock.Sockets<i>, &wfds)))
SockMsg.WriteQueue = i;
}
if (FD_ISSET(Mysock.DaemonSock, &efds))
SockMsg.AcceptNum = -1; /* server socket error. */
for (i=0; i<64; i++) /* Error message */
{
if ((Mysock.Sockets<i> > 0) && (FD_ISSET(Mysock.Sockets<i>, &efds)))
SockMsg.ExceptQueue = i;
}
return(retcode);
}
int SendPacket(int Sockno, void *buf, int len)
/* Send a packet. If succeed return the number of send data, else return -1 */
{
int actlen;
if ((Sockno >= 64) || (Sockno < 0) || (Mysock.Sockets == 0))
return(0);
if ((actlen = send(Mysock.Sockets, buf, len, 0)) < 0)
return(-1);
return(actlen);
}
int RecvPacket(int Sockno, void *buf, int size)
/* Receive a packet. If succeed return the number of receive data, else if the connection
is shutdown by peer then return 0, otherwise return 0-errno */
{
int actlen;
if ((Sockno >= 64) || (Sockno < 0) || (Mysock.Sockets == 0))
return(0);
if ((actlen = recv(Mysock.Sockets, buf, size, 0)) < 0)
return(0-errno);
return(actlen); /* actlen是接收的数据长度，如果为零，指示连接被对方关闭。*/
}
<P>2.5.3 简单服务器程序示例
/* File Name: server.c */
/* 这是一个很简单的重复服务器程序，它初始化好被动套接字后，循环等待接收连接。如果接收到连接，它显示数据套接字序号和客户端的IP地址；如果数据套接字上有数据到来，它接收数据并显示该连接的数据套接字序号和接收到的字符串。*/
#include "tcpsock.h"
main(argc, argv)
int argc;
char **argv;
{
struct in_addr sin_addr;
int retcode, i;
char buf;
/* 对于服务器程序，它经常是处于无限循环状态，只有在用户主动kill该进程或系统关机时，它才结束。对于使用kill强行终止的服务器程序，由于主套接字没有关闭，资源没有主动释放，可能会给随后的服务器程序重新启动产生影响。因此，主动关闭主套接字是一个良好的变成习惯。下面的语句使程序在接收到SIGINT、SIGQUIT和SIGTERM等信号时先执行CloseMainSock()函数关闭主套接字，然后再结束程序。因此，在使用 kill强行终止服务器进程时，应该先使用kill -2 PID给服务器程序一个消息使其关闭主套接字，然后在用kill -9 PID强行结束该进程。*/
(void) signal(SIGINT, CloseMainSock);
(void) signal(SIGQUIT, CloseMainSock);
(void) signal(SIGTERM, CloseMainSock);
if ((retcode = InitPassiveSock("TestService")) < 0) {
printf("InitPassiveSock: error code = %d ", retcode);
exit(-1);
}
while (1) {
retcode = QuerySocketsMsg(); /* 查询网络消息 */
if (SockMsg.AcceptNum == 1) { /* 有外来连接等待接收？*/
retcode = AcceptConnection(&sin_addr);
printf("retcode = %d, IP = %s ", retcode, inet_ntoa(sin_addr.s_addr));
}
else if (SockMsg.AcceptNum == -1) /* 主套接字错误？*/
printf("Daemon Sockets error. ");
for (i=0; i
if ((retcode = RecvPacket(SockMsg.ReadQueue<i>, buf, 32)) > 0)
printf("sockno %d Recv string = %s ", SockMsg.ReadQueue<i>, buf);
else /* 返回数据长度为零，指示连接中断，关闭套接字。*/
CloseConnection(SockMsg.ReadQueue<i>);
}
} /* end while */
}
2.5.4 简单客户程序示例
/* File Name: client.c */
/* 客户程序在执行时，先初始化数据结构，然后等待用户输入命令。它识别四个命令：
conn(ect)： 和服务器建立连接；
send： 给指定连接发送数据；
clos(e)： 关闭指定连接；
quit： 退出客户程序。
*/
#include "tcpsock.h"
main(argc, argv)
int argc;
char **argv;
{
char cmd_buf;
struct in_addr sin_addr;
int sockno1, retcode;
char *buf = "This is a string for test.";
sin_addr.s_addr = inet_addr("166.111.5.249"); /* 运行服务器程序的主机的IP地址 */
if ((retcode = InitSocketsStruct("TestService")) < 0) { /* 初始化数据结构 */
printf("InitSocketsStruct: error code = %d ", retcode);
exit(1);
}
while (1) {
printf(">");
gets(cmd_buf);
if (!strncmp(cmd_buf, "conn", 4)) {
retcode = CreateConnection(&sin_addr); /* 建立连接 */
printf("return code: %d ", retcode);
}
else if(!strncmp(cmd_buf, "send", 4)) {
printf("Sockets Number:");
scanf("%d", &sockno1);
retcode = SendPacket(sockno1, buf, 26); /* 发送数据 */
printf("return code: %d ", retcode, sizeof(buf));
}
else if (!strncmp(cmd_buf, "close", 4)) {
printf("Sockets Number:");
scanf("%d", &sockno1);
retcode = CloseConnection(sockno1); /* 关闭连接 */
printf("return code: %d ", retcode);
}
else if (!strncmp(cmd_buf, "quit", 4))
exit(0);
else
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