Socket编程-基础使用

最后更新：2019-10-25

一 基本概念

socket, 又称为"套接字"或者"插座". 是操作系统提供的一种进程间通信机制.目前大多用于不同网络设备之间的通信. socket 位于应用层与传输层之间, 通过传递给 socket 不同的参数, socket 最终选择不一样的协议(TCP/UDP等), 也就是说 socket 其实传输层协议簇的软件抽象.

图片来自于网络

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1.1 流程概述

在网络应用中, 通信的两个进程之间主要用的是客户端/服务器 (C/S)模式, 即客户向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务. socket 最开始设计于 Unix, Unix/Linux 设计哲学是 "一切皆文件", 因此,我们可以像文件操作(open/read/write/close)一样来操作 socket.

下图展示展示 C/S 之间如何使用 socket

对于 TCP 服务端来说:

• 创建 socket, 创建一个通信断点描述符, 但在进程中为未打开状态;
• 绑定(bind) socket, 将 socket 绑定到某个地址以及端口上;
• 监听(listen) socket, 用于表示该 socket 为一个被动链接(passive socket), 可以理解为 服务器的socket,需要客户端来主动连接了;
• 接收客户端的请求(accept), 服务端通过该方法接收客户端的连接请求;
• 读(read)/写(write)
• 关闭 socket

对于客户端来说就比较的简单: 创建一个socket, 然后连接服务器(connect), 完成对应的数据操作(读写), 完成后关闭(close);

二 socket 相关接口

2.1 创建 socket()

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket 创建返回一个 socket 描述符, 跟文件描述符类似,后面的读写都需要依赖于这个描述符.

2.1.1 参数-协议族(domain)

协议族决定了使用的 socket 地址类型;

• Unix 域 socket: AF_UNIX或 AF_LOCAL, 使用地址类型为: struct sockaddr_un

struct sockaddr_un {
   sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */
   char        sun_path[108];            /* Pathname */
};

• AF_INET, ipv4, 使用地址类型为: struct sockaddr_in

struct sockaddr_in {
   sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
   in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
   struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
   uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

• AF_INET6, ipv6, 使用地址类型为:　sockaddr_in6

struct sockaddr_in6 {
   sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */
   in_port_t       sin6_port;     /* port number */
   uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */
   struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */
   uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */
};

struct in6_addr {
   unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */
};

• 其他类型(AF_X25 / AF_AX25 / AF_NETLINK 等)，其他类型目前还没有涉及到,不做过多讨论,感兴趣可以访问手册进行研究;

2.1.2 参数-类型(type)

表示 socket 通信的类型

• SOCK_STREAM: 可靠的面向流服务或流套接字 (TCP)
• SOCK_DGRAM:　数据报文服务或者数据报文套接字 (UDP)
• SOCK_SEQPACKET：可靠的连续数据包服务
• SOCK_RAW:　网络层之上自行指定运输层协议头，即原始套接字

2.1.3 参数－协议类型（protocol）

指定实际使用的传输协议, 传 0 表示根据前面的 domain 和 type 选择协议;

2.2 其他函数略过

其他的函数没有什么特别需要注意的地方,直接参考下面例子以及手册就能看懂

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三 示例程序-本地进程间通信

当给 socket() 的协议族传入(AF_UNIX或 AF_LOCAL)时，可表示Unix域socket, 用于本地进程间通信.

其中地址类型中的 sun_path是一个值得注意的地方,根据文档所描述,有三种类型

+　pathname:　文件类型，这种文件需要服务端与客户端对文件都有操作权限, 程序执行过程中,可以看到对应的文件.
+　unnamed
+　abstract: 抽象类型, 这种类型与 pathname 区别在于,给 sun_path 的第一个值为 \0;

3.1 客户端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <string.h>
#include <stddef.h>
#include <unistd.h>

static const char *SERVERNAME = "@servername";
int main(int argc, char const *argv[])
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_un serverAddr;
    socklen_t len;
    char buffer[1024];

    sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);

    if (sockfd < 0)
    {
        perror("init fail");
        exit(1);
    }

    memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
    serverAddr.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(serverAddr.sun_path, SERVERNAME, sizeof(serverAddr.sun_path));  

    serverAddr.sun_path[0] = '\0';
    len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + sizeof(SERVERNAME);

    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serverAddr, len) < 0)
    {
        perror("connect fail");
        exit(1);
    }

    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin) != NULL)
    {
        write(sockfd, buffer, strlen(buffer));
    }

    close(sockfd);

    return 0;
}

3.2 服务端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <string.h>
#include <stddef.h>
#include <unistd.h>

static const char *SERVERNAME = "@servername";

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_un serverAddr;
    struct sockaddr_un clientAddr;
    socklen_t clientLen;
    socklen_t serverLen;

    char buffer[1024];
    int connfd;

    if ((sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
    {
        perror("init fail");
        exit(1);
    }
    
    // 2. 设置对应地址,然后进行 connect
    memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
    serverAddr.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(serverAddr.sun_path, SERVERNAME, sizeof(serverAddr.sun_path));  

    // abstract & calculate length
    serverAddr.sun_path[0] = '\0';
    serverLen = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + sizeof(SERVERNAME);

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serverAddr, serverLen) < 0)
    {
        perror("bind fail");
        exit(1);
    }

    if (listen(sockfd, 20) < 0)
    {
        perror("listen fail");
        exit(1);
    }

    while (1)
    {
        // 阻塞到有客户端链接
        if ((connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&clientAddr, &clientLen))  < 0) 
        {
            printf("accept fail \r\n");
            continue;
        }
        printf("accept success \r\n");

        while(1) 
        {  
            memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
            
            int n = read(connfd, buffer, sizeof(buffer));  
            if (n < 0) {  
                perror("read error");  
                break;  
            } else if(n == 0) {  
                printf("EOF\n");  
                break;  
            }  
            
            printf("received: %s", buffer);  
        }  
        close(connfd);
    }

    close(sockfd);

    return 0;
}

四 实例程序-IPV4(6)网络通信

4.1 客户端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>


int main(int argc, char const *argv[])
{
    // ipv4
    int sockfd;
    struct sockaddr_in addr_in;
    char buffer[1000];
    
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
    {
        perror("init socket fail");
        exit(1);
    }

    bzero(&addr_in, sizeof(addr_in));    
    addr_in.sin_family = AF_INET;
    addr_in.sin_port = htons(9898);
    addr_in.sin_addr.s_addr = inet_addr("103.101.153.8");

    if ((connect(sockfd, (struct sockaddr *)&addr_in, sizeof(addr_in)))<0)
    {
        perror("connect fail");
        exit(1);
    }

    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin))
    {
        write(sockfd, buffer, strlen(buffer));
    }

    close(sockfd);

    return 0;
}

4.2 服务端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h> 


int main(int argc, char const *argv[])
{
    int serfd, clifd;
    struct sockaddr_in seraddr_in, cliaddr_in;
    socklen_t clilen;
    char buffer[1000];

    if ((serfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
    {
        perror("init socket fail");
        exit(1);
    }

    bzero(&seraddr_in, sizeof(seraddr_in));
    seraddr_in.sin_family = AF_INET;
    seraddr_in.sin_port = htons(9898);
    seraddr_in.sin_addr.s_addr = inet_addr("103.101.153.8");

    if (bind(serfd, (struct sockaddr *)&seraddr_in, sizeof(seraddr_in)) < 0)
    {
        perror("bind fail");
        exit(1);
    }

    if (listen(serfd, 20) < 0)
    {
        perror("listen fail");
        exit(1);
    }

    while (1)
    {
        if ((clifd = accept(serfd, (struct sockaddr *)&cliaddr_in, &clilen)) < 0)
        {
            perror("accept fail");
            continue;
        }

        while (1)
        {
            memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
            int len = read(clifd, buffer, sizeof(buffer));

            if (len < 0 )
            {
                perror("read fail");
                break;
            }

            if (len == 0)
            {
                perror("EOF");
                break;
            }

            printf("receive: %s", buffer);
        }

        close(clifd);
    }

    close(serfd);

    return 0;
}

对比本地与网络通信，就是选择的协议族以及对应的地址不一样而已．

参考链接:

• Linux Programmer's Manual-SOCKET(2)
• Linux Socket编程（不限Linux）
• HTTP 的特性
• linux socket进程通信
• Berkeley套接字