嵌入式Linux网络编程之：网络基础编程

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        10.2  网络基础编程

        10.2.1  socket概述

        1．socket定义

        在Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的。人们常说的socket是一种特殊的I/O接口，它也是一种文件描述符。socket是一种常用的进程之间通信机制，通过它不仅能实现本地机器上的进程之间的通信，而且通过网络能够在不同机器上的进程之间进行通信。
         
        每一个socket都用一个半相关描述{协议、本地地址、本地端口}来表示；一个完整的套接字则用一个相关描述{协议、本地地址、本地端口、远程地址、远程端口}来表示。socket也有一个类似于打开文件的函数调用，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socket来实现的。
         
        2．socket类型

        常见的socket有3种类型如下。
        （1）流式socket（SOCK_STREAM）。
        流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流；它使用TCP协议，从而保证了数据传输的正确性和顺序性。
         
        （2）数据报socket（SOCK_DGRAM）。
        数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议UDP。
         
        （3）原始socket。
        原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP进行直接访问，它功能强大但使用较为不便，主要用于一些协议的开发。
         
        10.2.2  地址及顺序处理

        1．地址结构相关处理

        （1）数据结构介绍。
        下面首先介绍两个重要的数据类型：sockaddr和sockaddr_in，这两个结构类型都是用来保存socket信息的，如下所示：
         
        struct sockaddr
        {
               unsigned short sa_family; /*地址族*/
               char sa_data[14]; /*14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号。*/
        };
        struct sockaddr_in
        {
               short int sa_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*/
        };
         
        这两个数据类型是等效的，可以相互转化，通常sockaddr_in数据类型使用更为方便。在建立socketadd或sockaddr_in后，就可以对该socket进行适当的操作了。
         
        （2）结构字段。
        表10.1列出了该结构sa_family字段可选的常见值。
        表10.1

结构定义头文件	#include <netinet/in.h>
sa_family	AF_INET：IPv4协议
	AF_INET6：IPv6协议
	AF_LOCAL：UNIX域协议
	AF_LINK：链路地址协议
	AF_KEY：密钥套接字（socket）

         
        sockaddr_in其他字段的含义非常清楚，具体的设置涉及其他函数，在后面会有详细的讲解。
         
        2．数据存储优先顺序

        （1）函数说明。
        计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先（称为大端模式）和低位字节优先（称为小端模式，PC机通常采用小端模式）。Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，因此在有些情况下，需要对这两个字节存储优先顺序进行相互转化。这里用到了4个函数：htons()、ntohs()、htonl()和ntohl()。这4个地址分别实现网络字节序和主机字节序的转化，这里的h代表host，n代表network，s代表short，l代表long。通常16位的IP端口号用s代表，而IP地址用l来代表。
         
        （2）函数格式说明。
        表10.2列出了这4个函数的语法格式。
        表10.2 htons等函数语法要点

所需头文件	#include <netinet/in.h>
函数原型	uint16_t htons(unit16_t host16bit)                                         uint32_t htonl(unit32_t host32bit)                                         uint16_t ntohs(unit16_t net16bit)                                         uint32_t ntohs(unit32_t net32bit)
函数传入值	host16bit：主机字节序的16位数据
	host32bit：主机字节序的32位数据
	net16bit：网络字节序的16位数据
	net32bit：网络字节序的32位数据
函数返回值	成功：返回要转换的字节序
	出错：-1

         

注意	调用该函数只是使其得到相应的字节序，用户不需清楚该系统的主机字节序和网络字节序是否真正相等。如果是相同不需要转换的话，该系统的这些函数会定义成空宏。

         
        3．地址格式转化

        （1）函数说明。
        通常用户在表达地址时采用的是点分十进制表示的数值（或者是以冒号分开的十进制IPv6地址），而在通常使用的socket编程中所使用的则是二进制值，这就需要将这两个数值进行转换。这里在IPv4中用到的函数有inet_aton()、inet_addr()和inet_ntoa()，而IPv4和IPv6兼容的函数有inet_pton()和inet_ntop()。由于IPv6是下一代互联网的标准协议，因此，本书讲解的函数都能够同时兼容IPv4和IPv6，但在具体举例时仍以IPv4为例。
         
        这里inet_pton()函数是将点分十进制地址映射为二进制地址，而inet_ntop()是将二进制地址映射为点分十进制地址。
         
        （2）函数格式。
        表10.3列出了inet_pton函数的语法要点。
        表10.3 inet_pton函数语法要点

所需头文件	#include <arpa/inet.h>
函数原型	int inet_pton(int family, const char *strptr, void *addrptr)
函数传入值	family	AF_INET：IPv4协议
		AF_INET6：IPv6协议
	strptr：要转化的值
	addrptr：转化后的地址
函数返回值	成功：0
	出错：-1

         
        表10.4列出了inet_ntop函数的语法要点。
        表10.4 inet_ntop函数语法要点

所需头文件	#include <arpa/inet.h>
函数原型	int inet_ntop(int family, void *addrptr, char *strptr, size_t len)
函数传入值	family	AF_INET：IPv4协议
		AF_INET6：IPv6协议
函数传入值	addrptr：转化后的地址
	strptr：要转化的值
	len：转化后值的大小
函数返回值	成功：0
	出错：-1

         

        4．名字地址转化

        （1）函数说明。
        通常，人们在使用过程中都不愿意记忆冗长的IP地址，尤其到IPv6时，地址长度多达128位，那时就更加不可能一次次记忆那么长的IP地址了。因此，使用主机名将会是很好的选择。在Linux中，同样有一些函数可以实现主机名和地址的转化，最为常见的有gethostbyname()、gethostbyaddr()和getaddrinfo()等，它们都可以实现IPv4和IPv6的地址和主机名之间的转化。其中gethostbyname()是将主机名转化为IP地址，gethostbyaddr()则是逆操作，是将IP地址转化为主机名，另外getaddrinfo()还能实现自动识别IPv4地址和IPv6地址。
        gethostbyname()和gethostbyaddr()都涉及一个hostent的结构体，如下所示：
         
        struct hostent
        {
               char *h_name;/*正式主机名*/
               char **h_aliases;/*主机别名*/
               int h_addrtype;/*地址类型*/
               int h_length;/*地址字节长度*/
               char **h_addr_list;/*指向IPv4或IPv6的地址指针数组*/
        }
         
        调用gethostbyname()函数或gethostbyaddr()函数后就能返回hostent结构体的相关信息。
        getaddrinfo()函数涉及一个addrinfo的结构体，如下所示：
         
        struct addrinfo
        {
               int ai_flags;/*AI_PASSIVE, AI_CANONNAME;*/
               int ai_family;/*地址族*/
               int ai_socktype;/*socket类型*/
               int ai_protocol;/*协议类型*/
               size_t ai_addrlen;/*地址字节长度*/
               char *ai_canonname;/*主机名*/
               struct sockaddr *ai_addr;/*socket结构体*/
               struct addrinfo *ai_next;/*下一个指针链表*/
        }
         
        hostent结构体而言，addrinfo结构体包含更多的信息。
         
        （2）函数格式。
        表10.5列出了gethostbyname()函数的语法要点。
        表10.5 gethostbyname函数语法要点

所需头文件	#include <netdb.h>
函数原型	struct hostent *gethostbyname(const char *hostname)
函数传入值	hostname：主机名
函数返回值	成功：hostent类型指针
	出错：-1

         
        调用该函数时可以首先对hostent结构体中的h_addrtype和h_length进行设置，若为IPv4可设置为AF_INET和4；若为IPv6可设置为AF_INET6和16；若不设置则默认为IPv4地址类型。
         
        表10.6列出了getaddrinfo()函数的语法要点。
        表10.6 getaddrinfo()函数语法要点

所需头文件	#include <netdb.h>
函数原型	int getaddrinfo(const char *node, const char *service, const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **result)
函数传入值	node：网络地址或者网络主机名
	service：服务名或十进制的端口号字符串
	hints：服务线索
	result：返回结果
函数返回值	成功：0
	出错：-1

         
        在调用之前，首先要对hints服务线索进行设置。它是一个addrinfo结构体，表10.7列举了该结构体常见的选项值。
        表10.7 addrinfo结构体常见选项值

结构体头文件	#include <netdb.h>
ai_flags	AI_PASSIVE：该套接口是用作被动地打开
	AI_CANONNAME：通知getaddrinfo函数返回主机的名字
ai_family	AF_INET：IPv4协议
	AF_INET6：IPv6协议
	AF_UNSPEC：IPv4或IPv6均可
ai_socktype	SOCK_STREAM：字节流套接字socket（TCP）
	SOCK_DGRAM：数据报套接字socket（UDP）
ai_protocol	IPPROTO_IP：IP协议
	IPPROTO_IPV4：IPv4协议	4	IPv4
	IPPROTO_IPV6：IPv6协议
	IPPROTO_UDP：UDP
	IPPROTO_TCP：TCP

         

注意

（1）通常服务器端在调用getaddrinfo()之前，ai_flags设置AI_PASSIVE，用于bind()函数（用于端口和地址的绑定，后面会讲到），主机名nodename通常会设置为NULL。                                                                         （2）客户端调用getaddrinfo()时，ai_flags一般不设置AI_PASSIVE，但是主机名nodename和服务名servname（端口）则应该不为空。                                                                         （3） 即使不设置ai_flags为AI_PASSIVE，取出的地址也可以被绑定，很多程序中ai_flags直接设置为0，即3个标志位都不设置，这种情况下只要hostname和servname设置的没有问题就可以正确绑定。

         
        （3）使用实例。
        下面的实例给出了getaddrinfo函数用法的示例，在后面小节中会给出gethostbyname函数用法的例子。
         
        /* getaddrinfo.c */
        #include <stdio.h>
        #include <stdlib.h>
        #include <errno.h>
        #include <string.h>
        #include <netdb.h>
        #include <sys/types.h>
        #include <netinet/in.h>
        #include <sys/socket.h>
         
        int main()
        {
             struct addrinfo hints, *res = NULL;
             int rc;
             
             memset(&hints, 0, sizeof(hints));
             /*设置addrinfo结构体中各参数 */
             hints.ai_flags = AI_CANONNAME;
             hints.ai_family = AF_UNSPEC;
             hints.ai_socktype = SOCK_DGRAM;
             hints.ai_protocol = IPPROTO_UDP;
             /*调用getaddinfo函数*/
             rc = getaddrinfo("localhost", NULL, &hints, &res);
             if (rc != 0)
             {
                  perror("getaddrinfo");
                  exit(1);
             }
             else
             {
                  printf("Host name is %s\n", res->ai_canonname);
             }
             exit(0);
        }
         
        10.2.3  socket基础编程

        （1）函数说明。
        socket编程的基本函数有socket()、bind()、listen()、accept()、send()、sendto()、recv()以及recvfrom()等，其中根据客户端还是服务端，或者根据使用TCP协议还是UDP协议，这些函数的调用流程都有所区别，这里先对每个函数进行说明，再给出各种情况下使用的流程图。
         
        n socket()：该函数用于建立一个socket连接，可指定socket类型等信息。在建立了socket连接之后，可对sockaddr或sockaddr_in结构进行初始化，以保存所建立的socket地址信息。
         
        n bind()：该函数是用于将本地IP地址绑定到端口号，若绑定其他IP地址则不能成功。另外，它主要用于TCP的连接，而在UDP的连接中则无必要。
        n listen()：在服务端程序成功建立套接字和与地址进行绑定之后，还需要准备在该套接字上接收新的连接请求。此时调用listen()函数来创建一个等待队列，在其中存放未处理的客户端连接请求。
        n accept()：服务端程序调用listen()函数创建等待队列之后，调用accept()函数等待并接收客户端的连接请求。它通常从由bind()所创建的等待队列中取出第一个未处理的连接请求。
        n connect()：该函数在TCP中是用于bind()的之后的client端，用于与服务器端建立连接，而在UDP中由于没有了bind()函数，因此用connect()有点类似bind()函数的作用。
        n send()和recv()：这两个函数分别用于发送和接收数据，可以用在TCP中，也可以用在UDP中。当用在UDP时，可以在connect()函数建立连接之后再用。
        n sendto()和recvfrom()：这两个函数的作用与send()和recv()函数类似，也可以用在TCP和UDP中。当用在TCP时，后面的几个与地址有关参数不起作用，函数作用等同于send()和recv()；当用在UDP时，可以用在之前没有使用connect()的情况下，这两个函数可以自动寻找指定地址并进行连接。
         
        服务器端和客户端使用TCP协议的流程如图10.6所示。
        服务器端和客户端使用UDP协议的流程如图10.7所示。

                    

        图10.6  使用TCP协议socket编程流程图             图10.7  使用UDP协议socket编程流程图

         
        （2）函数格式。
        表10.8列出了socket()函数的语法要点。
        表10.8 socket()函数语法要点

所需头文件	#include <sys/socket.h>
函数原型	int socket(int family, int type, int protocol)
函数传入值	family：                                                                         协议族	AF_INET：IPv4协议
		AF_INET6：IPv6协议
		AF_LOCAL：UNIX域协议
		AF_ROUTE：路由套接字（socket）
		AF_KEY：密钥套接字（socket）
	type：                                                                         套接字类型	SOCK_STREAM：字节流套接字socket
		SOCK_DGRAM：数据报套接字socket
		SOCK_RAW：原始套接字socket
	protoco：0（原始套接字除外）
函数返回值	成功：非负套接字描述符
	出错：-1

         
        表10.9列出了bind()函数的语法要点。
        表10.9 bind()函数语法要点

所需头文件	#include <sys/socket.h>
函数原型	int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen)
函数传入值	socktd：套接字描述符
	my_addr：本地地址
	addrlen：地址长度
函数返回值	成功：0
	出错：-1

         
        端口号和地址在my_addr中给出了，若不指定地址，则内核随意分配一个临时端口给该应用程序。
         
        表10.10列出了listen()函数的语法要点。
        表10.10 listen()函数语法要点

所需头文件	#include <sys/socket.h>
函数原型	int listen(int sockfd, int backlog)
函数传入值	socktd：套接字描述符
	backlog：请求队列中允许的最大请求数，大多数系统缺省值为5
函数返回值	成功：0
	出错：-1

         
        表10.11列出了accept()函数的语法要点。
        表10.11 accept()函数语法要点

所需头文件	#include <sys/socket.h>
函数原型	int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)
函数传入值	socktd：套接字描述符
	addr：客户端地址
	addrlen：地址长度
函数返回值	成功：0
	出错：-1

         
        表10.12列出了connect()函数的语法要点。
        表10.12 connect()函数语法要点

所需头文件	#include <sys/socket.h>
函数原型	int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen)
函数传入值	socktd：套接字描述符
	serv_addr：服务器端地址
	addrlen：地址长度
函数返回值	成功：0
	出错：-1

         
        表10.13列出了send()函数的语法要点。
        表10.13 send()函数语法要点

所需头文件	#include <sys/socket.h>
函数原型	int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags)
函数传入值	socktd：套接字描述符
	msg：指向要发送数据的指针
	len：数据长度
	flags：一般为0
函数返回值	成功：发送的字节数
	出错：-1

         
        表10.14列出了recv()函数的语法要点。
        表10.14 recv()函数语法要点

所需头文件	#include <sys/socket.h>
函数原型	int recv(int sockfd, void *buf,int len, unsigned int flags)
函数传入值	socktd：套接字描述符
	buf：存放接收数据的缓冲区
	len：数据长度
	flags：一般为0
函数返回值	成功：接收的字节数
	出错：-1

         
        表10.15列出了sendto()函数的语法要点。
        表10.15 sendto()函数语法要点

所需头文件	#include <sys/socket.h>
函数原型	int sendto(int sockfd, const void *msg,int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *to, int tolen)
函数传入值	socktd：套接字描述符
	msg：指向要发送数据的指针
	len：数据长度
	flags：一般为0
	to：目地机的IP地址和端口号信息
	tolen：地址长度
函数返回值	成功：发送的字节数
	出错：-1

         
        表10.16列出了recvfrom()函数的语法要点。
        表10.16 recvfrom()函数语法要点

所需头文件	#include <sys/socket.h>
函数原型	int recvfrom(int sockfd,void *buf, int len, unsigned int flags, struct sockaddr *from, int *fromlen)
函数传入值	socktd：套接字描述符
	buf：存放接收数据的缓冲区
	len：数据长度
	flags：一般为0
	from：源主机的IP地址和端口号信息
	tolen：地址长度
函数返回值	成功：接收的字节数
	出错：-1

         
        （3）使用实例。
        该实例分为客户端和服务器端两部分，其中服务器端首先建立起socket，然后与本地端口进行绑定，接着就开始接收从客户端的连接请求并建立与它的连接，接下来，接收客户端发送的消息。客户端则在建立socket之后调用connect()函数来建立连接。
        服务端的代码如下所示：
         
        /*server.c*/
        #include <sys/types.h>
        #include <sys/socket.h>
        #include <stdio.h>
        #include <stdlib.h>
        #include <errno.h>
        #include <string.h>
        #include <unistd.h>
        #include <netinet/in.h>
         
        #define PORT            4321
        #define BUFFER_SIZE        1024
        #define MAX_QUE_CONN_NM   5
         
        int main()
        {
             struct sockaddr_in server_sockaddr,client_sockaddr;
             int sin_size,recvbytes;
             int sockfd, client_fd;
             char buf[BUFFER_SIZE];
             
             /*建立socket连接*/
             if ((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))== -1)
             {
                  perror("socket");
                  exit(1);
             }
             printf("Socket id = %d\n",sockfd);
             
             /*设置sockaddr_in 结构体中相关参数*/
             server_sockaddr.sin_family = AF_INET;
             server_sockaddr.sin_port = htons(PORT);
             server_sockaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
             bzero(&(server_sockaddr.sin_zero), 8);
             
             int i = 1;/* 允许重复使用本地地址与套接字进行绑定 */
             setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &i, sizeof(i));
             
             /*绑定函数bind()*/
             if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_sockaddr,
                           sizeof(struct sockaddr)) == -1)
             {
                  perror("bind");
                  exit(1);
             }
             printf("Bind success!\n");
             
             /*调用listen()函数，创建未处理请求的队列*/
             if (listen(sockfd, MAX_QUE_CONN_NM) == -1)
             {
                  perror("listen");
                  exit(1);
             }
             printf("Listening....\n");
             
             /*调用accept()函数，等待客户端的连接*/
             if ((client_fd = accept(sockfd,
                          (struct sockaddr *)&client_sockaddr, &sin_size)) == -1)
             {
                  perror("accept");
                  exit(1);
             }
             
             /*调用recv()函数接收客户端的请求*/
             memset(buf , 0, sizeof(buf));
             if ((recvbytes = recv(client_fd, buf, BUFFER_SIZE, 0)) == -1)
             {
                  perror("recv");
                  exit(1);
             }
             printf("Received a message: %s\n", buf);
             close(sockfd);
             exit(0);
        }
         
        客户端的代码如下所示：
         
        /*client.c*/
        #include <stdio.h>
        #include <stdlib.h>
        #include <errno.h>
        #include <string.h>
        #include <netdb.h>
        #include <sys/types.h>
        #include <netinet/in.h>
        #include <sys/socket.h>
         
        #define PORT   4321
        #define BUFFER_SIZE 1024
         
        int main(int argc, char *argv[])
        {
             int sockfd,sendbytes;
             char buf[BUFFER_SIZE];
             struct hostent *host;
             struct sockaddr_in serv_addr;
             
             if(argc < 3)
             {
                  fprintf(stderr,"USAGE: ./client Hostname(or ip address) Text\n");
                  exit(1);
             }
             
             /*地址解析函数*/
             if ((host = gethostbyname(argv[1])) == NULL)
             {
                  perror("gethostbyname");
                  exit(1);
             }
             
             memset(buf, 0, sizeof(buf));
             sprintf(buf, "%s", argv[2]);
             
             /*创建socket*/
             if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
             {
                  perror("socket");
                  exit(1);
             }
             
             /*设置sockaddr_in 结构体中相关参数*/
             serv_addr.sin_family = AF_INET;
             serv_addr.sin_port = htons(PORT);
             serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
             bzero(&(serv_addr.sin_zero), 8);
             
             /*调用connect函数主动发起对服务器端的连接*/
             if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&serv_addr,
                                           sizeof(struct sockaddr))== -1)
             {
                  perror("connect");
                  exit(1);
             }
             
             /*发送消息给服务器端*/
             if ((sendbytes = send(sockfd, buf, strlen(buf), 0)) == -1)
             {
                  perror("send");
                  exit(1);
             }
             close(sockfd);
             exit(0);
        }
         
        在运行时需要先启动服务器端，再启动客户端。这里可以把服务器端下载到开发板上，客户端在宿主机上运行，然后配置双方的IP地址，在确保双方可以通信（如使用ping命令验证）的情况下运行该程序即可。
         
        $ ./server
        Socket id = 3
        Bind success!
        Listening....
        Received a message: Hello,Server!
        $ ./client localhost(或者输入IP地址) Hello,Server!