网络编程——socket套接字入门

一、套接字描述符

1、创建一个套接字

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
//返回值：成功返回文件描述符，失败返回-1

• domain：指定通信地址族，通常以AF_开头（Address Family）
  • AF_INET：IPv4
  • AF_INET6：IPv6
  • AF_UNIX：UNIX域
  • AF_PACKET：原始套接字
• type：确定套接字类型
  • SOCK_STREAM：TCP
  • SOCK_DGRAM：UDP
  • SOCK_RAW：原始套接字
• protocol：指定协议类型，通常为0，表示使用默认协议，
  • TCP：IPPROTO_TCP
  • UDP：IPPROTO_UDP
  • ICMP：IPPROTO_ICMP
  • IGMP：IPPROTO_IGMP
  • IPV4：IPPROTO_IP
  • IPV6：IPPROTO_IPV6

2、禁止一个套接字

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);
//返回值：成功返回0，失败返回-1

• sockfd：套接字描述符
• how：指定关闭方式
  • SHUT_RD：关闭读端
  • SHUT_WR：关闭写端
  • SHUT_RDWR：关闭读写端

3、关闭一个套接字

#include<unistd.h>
int close(int fd);
//返回值：成功返回0，失败返回-1

• fd：套接字描述符

二、寻址

1、字节序转换函数

有些处理器使用小端字节序，有些处理器使用大端字节序。但是网络协议可能使用的字节序与处理器不同（如TCP/IP使用大端字节序），因此需要将字节序和网络字节序之间进行转换。

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

• htonl：将主机字节序转换为网络字节序
• htons：将主机字节序转换为网络字节序
• ntohl：将网络字节序转换为主机字节序
• ntohs：将网络字节序转换为主机字节序

h表示主机字节序，n表示网络字节序，l表示长整型，s表示短整型。

2、地址格式

地址格式与通信域相关。为了使不同的格式地址都能传入套接字函数，地址会被强制转换成一个通用的结构体sockaddr。

struct sockaddr 
{sa_family_t sa_family; /* address family, AF_xxx */char sa_data[];     
};

• sa_family：地址族
• sa_data：协议地址

套接字可以自由的添加额外的成员并定义sa_data的大小。

a、ipv4格式

在IPV4因特网域（AF_INET）中，sockaddr_in结构体被定义如下：

struct in_addr
{uint32_t s_addr;    //IPV4地址
};
struct sockaddr_in
{sa_family_t         sin_family; /* 地址族： AF_INET */in_port_t           sin_port;       /* 端口号，网络字节序 */struct in_addr      sin_addr;    /* IP地址，网络字节序 */
}

• in_port_t被定义为uint16_t
• in_addr_t被定义为uint32_t

b、ipv6格式

IPv6因特网域（AF_INET6）中，sockaddr_in6结构体被定义如下：

struct in6_addr
{uint8_t s6_addr[16];    //IPV6地址
};
struct sockaddr_in6
{sa_family_t     sin6_family; /* 地址族： AF_INET6 */in_port_t       sin6_port;       /* 端口号，网络字节序 */uint32_t        sin6_flowinfo;   /* IPv6流信息 */struct in6_addr sin6_addr;    /* IPv6地址，网络字节序 */uint32_t        sin6_scope_id;  /* IPv6作用域ID */
};

c、Linux中ipv4格式

在Linux中，sockaddr_in结构体被定义为：

struct sockaddr_in
{sa_family_t         sin_family; /* 地址族： AF_INET */in_port_t           sin_port;       /* 端口号，网络字节序 */struct in_addr      sin_addr;    /* IP地址，网络字节序 */unsigned char       sin_zero[8]; /* 8个字节，填充0 */
}

注意：尽管sockadd_in和sockaddr_in6结构差距比较大，但是它们都被强制转换成sockaddr结构体，因此可以传入套接字函数。

3、地址转换函数

注意：这两个函数仅支持IPv4地址。

• inet_addr函数将点分十进制IP地址转换为二进制IP地址。

• iner_ntoa函数将二进制IP地址转换为点分十进制IP地址。

#include <arpa/inet.h>
const char *inet_ntoa(struct in_addr in);
//返回值：成功返回指向点分十进制IP地址的指针，失败返回NULLin_addr_t inet_addr(const char *cp);
//返回值：成功返回指向in_addr结构的指针，失败返回INADDR_NONE

注意：下面这两个函数同时支持IPv4和IPv6地址。

• inet_pton函数将点分十进制IP地址转换为二进制IP地址。

• inet_ntop函数将二进制IP地址转换为点分十进制IP地址。

#include <arpa/inet.h>
const char *inet_ntop(int af, const void *restrict addr, char *restrict str, socklen_t size);
//返回值：成功返回指向str的指针，失败返回NULLint inet_pton(int af, const char *restrict str, void *restrict  addr);
//返回值：成功返回1，失败返回0

• af：地址族
• src：指向点分十进制IP地址的指针
• addr：指向二进制IP地址的指针

4、INADDR_ANY

INADDR_ANY：表示任意地址。

• 它表示服务器将接受来自任何网络接口的请求
• 当服务器需要监听多个网络接口时，可以使用INADDR_ANY来绑定所有网络接口，而不需要指定具体的IP地址。

#define INADDR_ANY ((in_addr_t) 0x00000000)

使用方法：

struct sockaddr_in address;
memset(&address, 0, sizeof(address));
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
//此处可以不进行将主机字节序转换成网络字节序，因为是0
//address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(1234);

5、地址查询

a、getaddrinfo函数

用于获取主机信息。

#include <netdb.h>
struct hostent *gethostent(void);
//返回值：成功返回指向hostent结构的指针，失败返回NULLvoid sethostent(int stayopen);
void endhostent(void);

hostent结构体定义如下：

struct hostent
{char *h_name;            /* 主机名 */char **h_aliases;        /* 主机别名列表 */int h_addrtype;        /* 地址类型 */int h_length;            /* 地址长度 */char **h_addr_list;    /* IP地址列表 */...
}

b、gethostbyname（已过时）

通过主机名（如www.example.com）获取对应的IPv4地址。

struct hostent *gethostbyname(const char *name);
//返回值：成功返回指向hostent结构的指针，
//        失败返回NULL，可通过h_errno变量获取错误码。

• name：主机名
• addr：IP地址
• len：IP地址长度
• type：地址类型

注意：

• 仅支持IPv4。
• 非线程安全（不可重入）。
• 已逐渐被更现代的getaddrinfo替代。

c、gethostbyaddr（已过时）

通过IPv4地址获取对应的主机名（反向DNS查询）。

struct hostent *gethostbyaddr(const void *addr, socklen_t len, int type);
//返回值：成功返回指向hostent结构的指针，
//        失败返回NULL，可通过h_errno变量获取错误码。

• addr：指向IPv4地址的指针（需转换为struct in_addr格式）。

• len：地址长度（IPv4为4）。

• type：地址类型（AF_INET表示IPv4）。

• 现在由getnameinfo函数替代。

d、getnameinfo（推荐）

将一个地址转换成 一个主机名和服务名。

#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>int getnameinfo(const struct sockaddr *restrict addr, socklen_t addrlen,char *restrict host, socklen_t hostlen,char *restrict serv, socklen_t servlen, int flags);
//返回值：成功返回0，失败返回错误码

• addr：指向sockaddr结构的指针。
• addrlen：sockaddr结构的长度。
• host：指向主机名的指针。
• hostlen：主机名缓冲区的大小。
• serv：指向服务名的指针。
• servlen：服务名缓冲区的大小。
• flags：控制函数行为的标志。

host非空，则指向一个长度为hostlen的缓冲区用于存放返回的主机名。

serv非空，则指向一个长度为servlen的缓冲区用于存放返回的服务名。

flags参数可以控制函数的行为，例如：

• NI_DGRAM：指定协议类型为UDP，而不是TCP。
• NI_NOFQDN：不返回完整的域名，只返回主机名。
• NI_NUMERICHOST：返回数字形式的IP地址，而不是主机名。
• NI_NAMEREQD：如果无法解析主机名，则返回错误。
• NI_NUMERICSERV：返回数字形式的端口号，而不是服务名。

f、getaddrinfo（推荐）

将主机名和服务名转换成套接字地址。

#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
int getaddrinfo(const char *rest host, const char *restrict serv,const struct addrinfo *restrict hints,struct addrinfo **restrict res);
//返回值：成功返回0，失败返回错误码void freeaddrinfo(struct addrinfo *ai); 
//释放addrinfo结构体

• host：主机名或IP地址。
• serv：服务名或端口号。
• hints：指向addrinfo结构的指针，用于指定查询的约束条件。
• res：指向addrinfo结构体的指针，用于存放查询结果。
  //返回值：成功返回0，失败返回错误码

hints 选择符合特定条件的地址信息，例如：

• AI_ADDRESS_FAMILY：指定地址族（AF_INET或AF_INET6）。
• AI_ALL：查找IPV4和IPV6地址。（仅用于AI_V4MAPPED）
• AI_CANONNAME：返回规范主机名。
• AI_NUMERICHOST：仅返回数字形式的IP地址。
• AI_NUMERICSERV：仅返回数字形式的端口号。
• AI_PASSIVE：用于服务器端，返回通配符地址（INADDR_ANY）。
• AI_V4MAPPED：如果找不到IPv6地址，返回映射到IPV6格式的IPV4地址。

注意：

• 需要提供主机名和服务名，或者两个都提供，如果只提供一个，另外一个必须是空指针。
  主机名可以是一个域名，也可以是一个IP地址。

• getaddrinfo返回一个addrinfo结构体的链表，可以使用freeaddrinfo函数释放这个链表，其中可以包含一个或多个addrinfo结构，用于表示不同的地址。

6、将套接字和地址关联

bind函数将套接字与地址关联起来。

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);
//返回值：成功返回0，失败返回 -1

注意：

• 指定的地址必须有效，不能指定一个其他机器上的地址。
• 地址必须与地址组所支持的格式匹配。
• 地址中端口号不能小于1024，除非进程具有超级用户权限。
• 一般只能将一个套接字端点与一个地址关联。

如果指定IP地址为INADDR_ANY，则表示服务器将接受来自任何网络接口的请求。

使用getsockname来发现绑定到套接字上的地址。

#include <sys/socket.h>
int getsockname(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict alenp);
//返回值：成功返回0，失败返回 -1

• addr：指向sockaddr结构的指针，用于存放返回的地址。
• alenp：指向socklen_t类型的指针，用于存放返回的地址长度。

三、建立连接

1、connect函数

客户端使用connect函数与服务器建立连接。

#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);
//返回值：成功返回0，失败返回 -1

• sockfd：套接字描述符。
• addr：指向sockaddr结构的指针，用于指定服务器的地址。
  如果sockfd没有绑定到一个地址，connect会给调用者绑定一个默认地址。

连接服务器可能会出现失败，服务器必须是开启的，并且正在运行，并且服务器的等待连接队列要有足够的空间。因此，应用程序需要处理connect返回的错误。

//可能出现错误的connect
for(numsec = 1; numsec <= MAXSLEEP; numsec <<= 1) 
{if(connect(fd, servaddr, servlen) == 0){return 0;}if(numsec <= MAXSLEEP / 2){sleep(numsec);} 
}

注意：使用指数退避算法，在连接失败后会休眠一段时间，然后重试。每次重试的间隔时间以指数级增加，直到达到最大延迟（通常为2分钟）。这种方法在Linux和Solaris上有效，但在FreeBSD和Mac OS X上存在问题，因为基于BSD的系统在首次连接失败后，继续使用同一个套接字描述符会失败。

我们可以每次都创建一个新的套接字描述符来连接服务器，这样就可以避免这个问题。

for(numsec = 1; numsec <= MAXSLEEP; numsec <<= 1)
{if((fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 1){return -1;}if(connect(fd, servaddr, servlen) == 0){return 0;}close(fd);if(numsec <= MAXSLEEP / 2){sleep(numsec);}
}

2、listen函数

服务器使用listen函数宣告它愿意接受连接请求。

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
//返回值：成功返回0，失败返回 -1

• sockfd：套接字描述符。

• backlog：等待连接队列的最大长度。
  参数backlog指定了等待连接队列的最大长度，即服务器最多可以有多少个连接请求在等待被处理。
  如果等待连接队列已满，新的连接请求将被拒绝。

  其实际长度由系统决定，但是上限由<sys/socket.h> 中的SOMAXCONN指定。

  Solaris系统中，会忽视SOMAXCONN，具体的最大值取决于每个协议的实现。对于TCP，最大值通常为128。

3、accept函数

一旦服务器调用了listen，所用的套接字就能接收到连接请求。使用accept函数获得连接请求并建立连接。

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict len);//返回值：成功返回新的套接字描述符，失败返回 -1

accept返回的是新的套接字描述符，这个新套接字描述符和原始套接字描述符(sockfd)具有相同的类型和地址族。

原始套接字描述符(sockfd)没有关联到这个连接，而是继续保持可用状态并接受连接。

如果服务器调用accept，并且当前没有连接请求，那么服务器将阻塞，直到有连接请求到达。服务器可以使用poll或select来等待一个请求的到来，在这种情况下，一个带有等待连接的套接字描述符将变为可读。

四、数据传输

1、发送数据

a、send函数

#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
//返回值：成功返回发送的字节数，失败返回 -1

• sockfd：套接字描述符。
• buf：指向缓冲区的指针，用于存放接收到的数据或发送的数据。
• len：缓冲区的大小。
• flags：控制函数行为的标志。

send与write类似，使用send时套接字必须已经连接。参数buf和len与write中一致。
不同的是，send可以指定一些额外的标志（flags）

flags：

• MSG_CONFIRM：提供链路层反馈以保持地址映射有效。
• MSG_DONTROUTE：勿将数据包路由出本地网络。
• MSG_DONTWAIT：允许非阻塞操作。
• MSG_EOF：发送数据后关闭套接字发送端。
• MSG_EOR：如果协议支持，标记记录结束。

即使send成功返回，也不代表连接的另一端接收到了数据。但是此时数据已经被无错误的发送到了网络驱动程序上。

b、sendto函数

#include <sys/socket.h> 
sisize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *destaddr, socklen_t destlen);
//返回值：成功返回发送的字节数，失败返回 -1

• sockfd：套接字描述符。
• buf：指向缓冲区的指针，用于存放接收到的数据或发送的数据。
• len：缓冲区的大小。
• flags：控制函数行为的标志。
• destaddr：指向sockaddr结构的指针，用于指定目标地址。
• destlen：目标地址的长度。

sendto函数与send函数类似，但是sendto函数可以用于无连接的套接字，例如UDP套接字。sendto函数需要指定目标地址，而send函数不需要。

c、sendmsg函数

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
//返回值：成功返回发送的字节数，失败返回 -1

• sockfd：套接字描述符。
• msg：指向msghdr结构的指针，用于指定要发送的数据。
• flags：控制函数行为的标志。

sendmsg函数可以一次发送多个缓冲区。sendmsg函数的参数msg是一个msghdr结构，它包含了要发送的数据和目标地址。

msghdr结构的定义如下：

struct msghdr {void         *msg_name;       /* 指向sockaddr结构的指针，用于指定目标地址 */socklen_t     msg_namelen;    /* 目标地址的长度 */struct iovec *msg_iov;        /* 指向iovec结构的指针，用于指定要发送的数据 */int           msg_iovlen;     /* iovec结构的数量 */void         *msg_control;    /* 指向cmsghdr结构的指针，用于指定控制信息 */socklen_t     msg_controllen; /* 控制信息的长度 */int           msg_flags;      /* 控制标志 */
};

• msg_name：指向sockaddr结构的指针，用于指定目标地址。
• msg_namelen：目标地址的长度。
• msg_iov：指向iovec结构的指针，用于指定要发送的数据。
• msg_iovlen：iovec结构的数量。

2、接收数据

a、recv函数

#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
//返回值：成功返回接收到的字节数，失败返回 -1

• sockfd：套接字描述符。
• buf：指向缓冲区的指针，用于存放接收到的数据。
• len：缓冲区的大小。

flags：控制函数行为的标志。

• MSG_CMSG_CLOEXEC：为UNIX域套接字接受的文件描述符设置关闭标志。

• MSG_DONTWAIT：允许非阻塞操作。

• MSG_ERRQUEUE：从套接字的错误队列中接收数据。

• MSG_OOB：如果协议同意，接收带外数据。

• MSG_PEEK：返回数据包内容而不真正取走数据包。

• MSG_TRUNC：返回数据包的实际长度，即使它比缓冲区大。

• MSG_WAITALL：等待所有数据到达。

  当指定MSG_PEEK标志时，可以查看下一个要读取的数据但不真正取走它。当再次调用read或者其中一个recv函数时，会返回刚才查看的数据。

  对于SOCK_STREAM套接字，接受的数据可能比预期的少，MSG_WAITALL标志可以用来等待所有数据到达。

b、recvfrom函数

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *restrict buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict addrlen);
//返回值：成功： 返回接收到的字节数，
//        若无可用数据或连接已关闭： 返回0，
//        失败： 返回 -1

• sockfd：套接字描述符。
• buf：指向缓冲区的指针，用于存放接收到的数据。
• len：缓冲区的大小。
• flags：控制函数行为的标志。

如果addr非空，它将包含数据发送者的套接字端点地址。

因为可以获得发送者的地址，recvform通常被用于无连接的套接字。否则recvfrom == recv。

c、recvmsg函数

recvmsg函数可以 一次接收多个缓冲区，还可以接收辅助信息。

#include <sys/socket.h>ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
//返回值：成功： 返回接收到的字节数，
//        若无可用数据或连接已关闭： 返回0，
//        失败： 返回 -1

• sockfd：套接字描述符。
• msg：指向msghdr结构的指针，用于指定要接收的数据。
• flags：控制函数行为的标志。

常见的flags有：

• MSG_CTRUNC：如果控制信息太长，则截断。
• MSG_EOR：如果协议支持，标记记录结束。
• MSG_ERRQUEUE：从套接字的错误队列中接收数据作为辅助信息。
• MSG_OOB：接收带外数据。
• MSG_TRUNC：一般数据被阶段。