第 12 章 网络编程

第12章网络编程内容提要网络编程概述互联网传输协议

Socket上的读写操作

Unix域套接字套接字选项构建并发服务器12.1网络编程概述网络套接字Socket

TCP/IP诞生于4.4BSD，随着TCP/IP在互联网的广泛应用，编程接口BSDsocket也事实上成为网络接口标准。目前，已被包括Linux在内的众多操作系统支持。

BSDsocket为一种通用网络编程接口，支持丰富的网络协议，例如，ipx/spx等。系统调用接口层VFS接口层Socket抽象层EthernetTokenRingPPPSLIP网络设备驱动接口层PF_INETPF_PACKETPF_IPXPF_UNIXiptcpudp设备驱动层协议层接口层SOCK_DGRAMSOCK_RAWSOCK_RAWSOCK_DGRAMSOCK_STREAMreadwriteclosesocketrecvsendLinux内核支持的协议客户机/服务器模型socket采用客户机/服务器模式，服务器监听客户机发送的连接请求，客户机需预先获知服务器的地址，双方连接建立后，可实现双向数据传输。

传输层通常提供两种类型的传输服务，面向连接的传输服务和无连接的传输服务，对于面向连接的传输服务，可确保双方传输数据的有序和可靠。对于无连接的传输协议，无须建立连接，可直接根据对方地址收发数据。4TCP/IP协议TCP/IP作为互联网的标准协议族，其传输层为上层提供TCP和UDP两种服务。

TCP是一种面向连接的传输协议，通信双方以字节流方式可靠地交换数据，用户无需关心内部复杂的协商逻辑，但TCP也会消耗一定的带宽资源。

UDP是一种无连接的数据报协议，以数据报为单位，数据报在传输过程中可能丢失和失序，UDP消耗相对较少的带宽资源。应用编程接口分类API功能描述socketAPIsocket创建套接字bind绑定地址listen监听绑定地址上的连接请求accept接收来自绑定地址上的连接请求connect向服务器发起连接请求recv/recvfrom/recvmsg接收数据send/sendto/sendmsg发送数据close/shutdown关闭/优雅关闭sendfile在内核空间传输文件socketpair创建互联套接字getsockopt/setsockopt获取/设置套接字选项12.2互联网传输协议内容提要面向连接的传输协议TCPsocket编程接口无连接的传输协议UDP面向连接的传输协议TCPTCP是一种面向连接基于字节流的可靠传输协议，确保通信双方数据传输的有序和正确。采用客户机/服务器模式，服务器监听客户机发起的连接请求，在双方建立连接后，便可进行数据传输。基于TCP的客户机/服务器模式服务器端请求数据socket()bind()listen()accept()socket()connect()send()recv()客户端(Blockuntilconnection)建立连接recv()send()回复数据close()关闭连接recv()close()创建套接字1.socket函数头文件

#include<sys/types.h> #include<sys/socket.h>函数原型

int

socket(intdomain,inttype,intprotocol);功能 创建套接字。参数

domain:协议族。

type:协议类型。

protocol:默认为0，通常用于原始套接字选项。返回值 成功:套接字的文件描述符，错误:返回-1。创建套接字(续)参数domain描述AF_UNIX本地通信协议AF_INETIPv4互联网协议AF_INET6IPv6互联网协议AF_IPXIPXnovellprotocolsAF_NETLINK配置协议参数type描述SOCK_STREAM面向连接的字节流服务SOCK_DGRAM无连接不可靠数据报服务SOCK_RAW底层协议访问服务socket函数中参数type的定义函数中参数domain的定义绑定地址头文件

#include<sys/types.h> #include<sys/socket.h>函数原型

int

bind(int

sockfd,struct

sockaddr*addr,socklen_t

addrlen);功能 绑定本地地址。参数

sockfd:套接字的文件描述符。

addr:ip地址。

addrlen:地址长度。返回值 成功返回0,错误:返回-1。绑定地址(续)sockaddr使用更一般的类型，其定义如下。

struct

sockaddr{

sa_family_t

sa_family;//协议族

charsa_data[14];//内容与协议族有关

}TCP/IP协议族的地址类型有ipv4和ipv两种，下面仅以ipv4未例，其地址类型sockaddr_in的定义如下。struct

sockaddr_in{shortint

sin_family;//取值为AF_INETunsignedshortint

sin_port;//端口号struct

in_addr

sin_addr;//IP地址...};监听套接字头文件

#include<sys/socket.h>函数原型

int

listen(int

sockfd,intbacklog);功能 监听套接字上的连接请求。参数

sockfd:套接字的文件描述符。

backlog:可容纳连接请求的数量。返回值 成功返回0，错误返回-1。接收连接头文件

#include<sys/types.h> #include<sys/socket.h>函数原型

int

accept(int

sockfd,struct

sockaddr*addr,socklen_t*addrlen);功能 接收连接。参数

sockfd:套接字的文件描述符。

addr:连接请求的地址。

addrlen:地址长度。返回值 成功返回为新连接创建的套接字，失败返回-1。发起连接请求头文件

#include<sys/types.h> #include<sys/socket.h>函数原型

int

connect(int

sockfd,struct

sockaddr*addr,socklen_t

addrlen);功能 向服务器发起连接请求。参数

sockfd:套接字的文件描述符。

addr:服务器地址。

addrlen：地址长度。返回值 成功返回0，错误返回-1。接收数据头文件

#include<sys/types.h> #include<sys/socket.h>函数原型

ssize_t

recv(int

sockfd,void*buf,size_t

len,intflags);

ssize_t

recvfrom(int

sockfd,void*buf,size_t

len,int

flags,struct

sockaddr*from,socklen_t*addrlen);

ssize_t

recvmsg(int

sockfd,struct

msghdr*msg,intflags);功能 从套接字接收数据。参数

sockfd:套接字的文件描述符。buff:缓冲区地址。

len：缓冲区大小。from:目标地址。addrlen：地址长度。

msg:接收请求地址。flags：选项。返回值 成功返回接收的字节数，失败返回-1。接收数据recv(sockfd,buf,len,flags);等价于：recvfrom(sockfd,buf,len,flags,NULL,NULL);。msg

为msghdr类型指针，可使函数参数最小化，msghdr类型封装了接收数据所需的参数，其定义如下。struct

msghdr{void*msg_name;//目标地址

socklen_t

msg_namelen;//目标地址长度

struct

iovec*msg_iov;//缓冲区

size_t

msg_iovlen;//缓冲区数量

void*msg_control;//附加数据地址

size_t

msg_controllen;//附加数据长度

int

msg_flags;//用于接收数据};发送数据头文件 #include<sys/types.h> #include<sys/socket.h>函数原型

ssize_t

send(int

sockfd,constvoid*buf,size_t

len,intflags);

ssize_t

sendto(int

sockfd,constvoid*buf,size_t

len,int

flags,const

struct

sockaddr*to,socklen_t

addrlen);

ssize_t

sendmsg(int

sockfd,conststruct

msghdr*msg,intflags);功能

向套接字发送数据。参数

sockfd:套接字的文件描述符uff:缓冲区地址。

len:缓冲区大小。to:目标地址。addrlen:地址长度。

msg:发送请求。flags：选项。返回值 成功返回发送的字节数，失败返回-1。关闭连接头文件

#include<unistd.h> #include<sys/socket.h>函数原型

int

close(int

sockfd);

int

shutdown(int

sockfd,inthow);功能 关闭/优雅关闭连接。参数

sockfd:套接字的文件描述符。

how:关闭的方式。返回值 成功返回0，失败返回-1。关闭连接

无须传输数据时，应关闭连接，当向已关闭的套接字发送数据时，将导致失败。当调用close函数关闭连接时，若套接字的内核发送缓冲尚有未发送的数据，close会一直等待，直至数据全部发送完成或超时。并非所有发生异常的一方都产生RST包，需通过其他手段获知对方的状态。优雅关闭close函数会将收发两条通道全部关闭，后续无法接收数据；若使用shutdown函数，可仅关闭写通道，但仍可继续接收数据，故称为优雅关闭。收到FIN包的一方返回0，仅表示对方已关闭了写操作，无法确定对方是否关闭了读操作。无连接的传输协议UDPUDP为无连接的传输协议，无法保证将数据有序且正确地送达对方，但并不意味着丢报现象的频繁发生，这取决于整个网络的状态。在局域网环境下，通常有很高的可靠性。相较于TCP，UDP消耗较少的带宽资源，具有较高的传输效率。

UDP在很多应用场景得到了广泛应用，例如，流媒体和网络电话等。3基于UDP的客户机/服务器模式请求数据socket()bind()recvfrom()服务器端socket()sendto()recvfrom()客户机端(Blockuntilreceivedatagram)sendto()回复数据close()12.3Socket上的读写操作内容提要socket支持文件I/O接口面向连接的I/O操作socket的异步驱动模式零拷贝技术字节序和字节对齐socket支持文件I/O接口

内核为socket提供了文件I/O接口的支持，对于新建套接字时返回的套接字描述符，也适用于文件的I/O操作，例如，read/write函数和select/poll函数等。由于标准I/O函数库建立在基本文件I/O基础上，因此，标准I/O函数库中的函数也适用于套接字，例如，fgets和fputs函数等，由于在用户空间设置了缓冲区，从而会给I/O读写操作带来一定的影响。面向连接的I/O操作

由于面向连接套接字的字节流特性，数据的流速取决于双方套接字内核缓冲区滑动窗口状态的变化，无论采用阻塞或非阻塞模式，在读写套接字时，未必能将指定大小的数据一次性操作成功。面向连接的读操作

对于读操作，造成无法一次性全部读取所需数据的因素如下。1.所需的数据未全部到达内核接收缓冲区。2.即使全部到达，在读取过程也可能被信号中断。面向连接的写操作

对于写操作，造成无法一次性全部写入指定数据的因素如下。1.写入过程被信号中断。2.在非阻塞模式下，套接字的内核发送缓冲区仅能容纳部分待写入的数据。一次性读特定大小的数据ssize_t

readn(int

fd,void*buffer,size_tn){

ssize_t

numRead;

size_t

totRead; char*buf;

buf=buffer; for(totRead=0;totRead<n;){

numRead=read(fd,buf,n-totRead); if(numRead==0) returntotRead; if((numRead==-1)&&(errno==EINTR)) continue; else return-1;

totRead+=numRead;

buf+=numRead; } returntotRead;}一次性写入特定大小的数据ssize_t

writen(int

fd,constvoid*buffer,size_tn){

ssize_t

numWritten;

size_t

totWritten; constchar*buf;

buf=buffer; for(totWritten=0;totWritten<n;){

numWritten=write(fd,buf,n-totWritten);if(numWritten<=0){ if(numWritten==-1&&errno==EINTR) continue; else return-1; }

totWritten+=numWritten;

buf+=numWritten; } returntotWritten;}socket的异步I/O模式

对处于非阻塞模式的套接字，为了获知套接字状态的变化，内核提供了两种异步I/O驱动模式。异步I/O事件驱动2.异步I/O信号驱动。异步I/O事件驱动

内核将套接字状态的改变抽象为I/O事件，例如，套接字上有新数据到达和发送缓冲区重新变得可用等，用户可通过select/poll/epoll监听套接字状态的变化，利用获取的I/O事件判断状态改变的原因，从而进行相应的处理，事件类型I/O事件I/O事件的描述readPOLLIN有数据到达readPOLLIN面向连接的请求到达readPOLLHUP对方关闭了连接readPOLLHUP向失效的套接字上写数据，同时发送SIGPIPE信号WritePOLLOUT发送缓冲区变得可用Read/WritePOLLIN|POLLOUT连接完成Read/WritePOLLERR发生了异步I/O错误Read/WritePOLLHUP对方关闭了一个方向上的通道ExceptionPOLLPRI紧急数据到达，同时发送SIGURG信号异步I/O信号驱动

若利用fcntl函数在套接字上设置了O_ASYNC标识，套接字则被设置为I/O信号驱动模式，当套接字的状态发生改变，内核会向指定的进程发送SIGIO信号或自定义的实时信号。当存在多个状态发生改变的套接字，信号处理程序可根据信号来源加以区分。零拷贝技术

对于某些应用，在数据传输时，需频繁在用户空间和内核空间复制数据，例如，web和ftp等。为了降低带来的系统开销，内核引入了称为零拷贝的技术，直接在内核完成数据复制，绕过了用户缓冲区，减少了数据拷贝次数。零拷贝接口函数sendfile函数头文件

#include<sys/sendfile.h>函数原型

ssize_t

sendfile(int

out_fd,int

in_fd,off_t*offset,size_tcount);功能 在内核空间传输文件。参数

out_fd:目标套接字的文件描述符。

in_fd:源文件描述符。

offset:偏移量。

count:数据的长度。返回值 成功返回实际拷贝的字节数，失败返回-1。字节序(1)小端模式小端模式是指将低字节存放在内存的低地址处，例如，Intel80x86处理器采用该模式。(2)大端模式大端模式正好与小端模式相反，将高字节存放在内存的低地址处，Motorola处理器采用这种模式，网络字节序采用大端模式，字节序的存储模式High-orderbyteLow-orderbyte高位16位/2字节

低位Low-orderbyteHigh-orderbyte地址增长的方向地址增长的方向AddressAAddressA+1小端模式大端模式AddressA+1AddressA字节对齐

理论上。任意类型的数据可存储于内存的任意位置，但出于效率等因素的考虑，某些处理器对数据的存储地址有一定的要求，n字节对齐是指数据的存储地址为n的整数倍，例如，对于IntelX86，简单类型和结构类型的存储地址均为4的整数倍。12.4Unix域套接字Unix域概述Unix域是一种特殊的传输协议，用于本地进程间通信，支持面向连接和无连接两种传输服务。在使用socket编写服务器和库户籍时，仅协议族和地址类型有所不同。Unix域套接字1.创建Unix域套接字Unix_socket=socket(AF_UNIX,type,0);2.Unix域的地址struct

sockaddr_un{

sa_family_t

sun_family;//取值AF_UNIX charsun_path[108];//文件路径};互联套接字

为了便于本地关联进程间通信，内核引入了socketpair接口函数用于创建一对互联套接字，通过它可实现父子进程或两子进程间通信。相较于无名管道的单向数据传输互联套接字可实现双向数据传输。创建互联套接字socketpair函数头文件

#include<sys/socket.h>函数原型

int

socketpair(intdomain,inttype,intprotocol,intsv[2]););功能 创建一对互联套接字。参数

domain:协议族。

type:协议类型。

protocol:子协议类型。

sv[2]:一对互联套接字的文件描述符。返回值 成功返回0，失败返回-1。12.5套接字选项套接字选项概述

每个套接字都有自身的行为属性，它们决定了套接字在收发数据时的行为特征。为了满足个性化需要，内核引入了getsockopt/setsockopt接口函数，用于获取/设置套接字的选项，以便套接字的行为符合用户的需求。获取/设置套接字选项getsockopt/setsockopt函数头文件

#include<sys/socket.h>函数原型

int

getsockopt(int

sockfd,int

level,int

optname,void*optval,socklen_t*optlen);

int

setsockopt(int

sockfd,int

level,int

optname,void*optval,socklen_t

optlen);功能 获取/设置套接字选项。参数

sockfd:套接字的文件描述符。

Level:协议层类型。

optname:选项名称。

optval:选项值。

optlen:optval占用的字节数。返回值 成功返回0，失败返回-1。通用选项参数optname类型定义SO_BROADCASTBOOL允许/禁止发送广播消息SO_DEBUGBOOL设置是否允许调试SO_DONTROUTEBOOL设置是否绕过正常的路由器SO_KEEPALIVEBOOL定时监测连接是否处于活动状态SO_LINGERLINGER关闭链接时的超时设置SO_OOBINLINEBOOL设置紧急数据放入普通数据流SO_RCVBUFint设置接收缓冲区的大小SO_REUSEADDRBOOL打开或关闭地址复用功能SO_RCVTIMEODWORD设置接收函数的超时时间(毫秒)SO_SNDBUFint设置发送缓冲区的大小

通用选项位于套接字接口层，是对各类协议接口的抽象，与特定的协议无关，但并非通用选项适用于所有协议。LINGER选项

该选项用于定义关闭连接时的超时设置，选项值的类型定义如下。#including<sys/socket.h> structlinger{ intl_onoff;//0表示关闭，非0表示打开 intl_linger;//超时时间(秒)};LINGER选项(续)若成员变量l_onoff置为0，内核默认设置，该选项关闭，成员变量l_linger的值被忽略，close/shutdown立即返回，残留在发送缓冲区的数据被丢弃。2.若成员变量l_onoff置为非0，l_linger设置超时时间，调用的close/shutdown函数挂起，直至内核发送缓冲区的数据全部被对方确认或超时时间到期；若到期仍有未确认的数据，则向