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socket編程——一個簡單的例子

google tdi 本地 及其 link 討論 pac 關閉連接 stdio.h

1、網絡中進程之間如何通信?

本地的進程間通信(IPC)有很多種方式,但可以總結為下面4類:

  • 消息傳遞(管道、FIFO、消息隊列)
  • 同步(互斥量、條件變量、讀寫鎖、文件和寫記錄鎖、信號量)
  • 共享內存(匿名的和具名的)
  • 遠程過程調用(Solaris門和Sun RPC)

但這些都不是本文的主題!我們要討論的是網絡中進程之間如何通信?首要解決的問題是如何唯一標識一個進程,否則通信無從談起!在本地可以通過進程PID來唯一標識一個進程,但是在網絡中這是行不通的。其實TCP/IP協議族已經幫我們解決了這個問題,網絡層的“ip地址”可以唯一標識網絡中的主機,而傳輸層的“協議+端口”可以唯一標識主機中的應用程序(進程)。這樣利用三元組(ip地址,協議,端口)就可以標識網絡的進程了,網絡中的進程通信就可以利用這個標誌與其它進程進行交互。

使用TCP/IP協議的應用程序通常采用應用編程接口:UNIX BSD的套接字(socket)和UNIX System V的TLI(已經被淘汰),來實現網絡進程之間的通信。就目前而言,幾乎所有的應用程序都是采用socket,而現在又是網絡時代,網絡中進程通信是無處不在,這就是我為什麽說“一切皆socket”。

2、什麽是Socket?

上面我們已經知道網絡中的進程是通過socket來通信的,那什麽是socket呢?socket起源於Unix,而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆文件”,都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的一個實現,socket即是一種特殊的文件,一些socket函數就是對其進行的操作(讀/寫IO、打開、關閉),這些函數我們在後面進行介紹。

socket一詞的起源

在組網領域的首次使用是在1970年2月12日發布的文獻IETF RFC33中發現的,撰寫者為Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據美國計算機歷史博物館的記載,Croker寫道:“命名空間的元素都可稱為套接字接口。一個套接字接口構成一個連接的一端,而一個連接可完全由一對套接字接口規定。”計算機歷史博物館補充道:“這比BSD的套接字接口定義早了大約12年。”

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實現,那麽socket就提供了這些操作對應的函數接口。下面以TCP為例,介紹幾個基本的socket接口函數。

3.1、socket()函數

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

socket函數對應於普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個文件描述字,而socket()用於創建一個socket描述符(socket descriptor),它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣,後續的操作都有用到它,把它作為參數,通過它來進行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同參數值,以打開不同的文件。創建socket的時候,也可以指定不同的參數創建不同的socket描述符,socket函數的三個參數分別為:

  • domain:即協議域,又稱為協議族(family)。常用的協議族有,AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL(或稱AF_UNIX,Unix域socket)、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型,在通信中必須采用對應的地址,如AF_INET決定了要用ipv4地址(32位的)與端口號(16位的)的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
  • type:指定socket類型。常用的socket類型有,SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等(socket的類型有哪些?)。
  • protocol:故名思意,就是指定協議。常用的協議有,IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等,它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議(這個協議我將會單獨開篇討論!)。

註意:並不是上面的type和protocol可以隨意組合的,如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時,會自動選擇type類型對應的默認協議。

當我們調用socket創建一個socket時,返回的socket描述字它存在於協議族(address family,AF_XXX)空間中,但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址,就必須調用bind()函數,否則就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。

3.2、bind()函數

正如上面所說bind()函數把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函數的三個參數分別為:

  • sockfd:即socket描述字,它是通過socket()函數創建了,唯一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。
  • addr:一個const struct sockaddr *指針,指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址創建socket時的地址協議族的不同而不同,如ipv4對應的是:
    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 */
    };
    ipv6對應的是:
    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 */ 
    };
    Unix域對應的是:
    #define UNIX_PATH_MAX    108
    
    struct sockaddr_un { 
        sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
        char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
    };
  • addrlen:對應的是地址的長度。

通常服務器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的地址(如ip地址+端口號),用於提供服務,客戶就可以通過它來接連服務器;而客戶端就不用指定,有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是為什麽通常服務器端在listen之前會調用bind(),而客戶端就不會調用,而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網絡字節序與主機字節序

主機字節序就是我們平常說的大端和小端模式:不同的CPU有不同的字節序類型,這些字節序是指整數在內存中保存的順序,這個叫做主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義如下:

  a) Little-Endian就是低位字節排放在內存的低地址端,高位字節排放在內存的高地址端。

  b) Big-Endian就是高位字節排放在內存的低地址端,低位字節排放在內存的高地址端。

網絡字節序:4個字節的32 bit值以下面的次序傳輸:首先是0~7bit,其次8~15bit,然後16~23bit,最後是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節序。由於TCP/IP首部中所有的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序,因此它又稱作網絡字節序。字節序,顧名思義字節的順序,就是大於一個字節類型的數據在內存中的存放順序,一個字節的數據沒有順序的問題了。

所以:在將一個地址綁定到socket的時候,請先將主機字節序轉換成為網絡字節序,而不要假定主機字節序跟網絡字節序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發過血案!公司項目代碼中由於存在這個問題,導致了很多莫名其妙的問題,所以請謹記對主機字節序不要做任何假定,務必將其轉化為網絡字節序再賦給socket。

3.3、listen()、connect()函數

如果作為一個服務器,在調用socket()、bind()之後就會調用listen()來監聽這個socket,如果客戶端這時調用connect()發出連接請求,服務器端就會接收到這個請求。

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函數的第一個參數即為要監聽的socket描述字,第二個參數為相應socket可以排隊的最大連接個數。socket()函數創建的socket默認是一個主動類型的,listen函數將socket變為被動類型的,等待客戶的連接請求。

connect函數的第一個參數即為客戶端的socket描述字,第二參數為服務器的socket地址,第三個參數為socket地址的長度。客戶端通過調用connect函數來建立與TCP服務器的連接。

3.4、accept()函數

TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之後,就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之後就想TCP服務器發送了一個連接請求。TCP服務器監聽到這個請求之後,就會調用accept()函數取接收請求,這樣連接就建立好了。之後就可以開始網絡I/O操作了,即類同於普通文件的讀寫I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept函數的第一個參數為服務器的socket描述字,第二個參數為指向struct sockaddr *的指針,用於返回客戶端的協議地址,第三個參數為協議地址的長度。如果accpet成功,那麽其返回值是由內核自動生成的一個全新的描述字,代表與返回客戶的TCP連接。

註意:accept的第一個參數為服務器的socket描述字,是服務器開始調用socket()函數生成的,稱為監聽socket描述字;而accept函數返回的是已連接的socket描述字。一個服務器通常通常僅僅只創建一個監聽socket描述字,它在該服務器的生命周期內一直存在。內核為每個由服務器進程接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字,當服務器完成了對某個客戶的服務,相應的已連接socket描述字就被關閉。

3.5、read()、write()等函數

萬事具備只欠東風,至此服務器與客戶已經建立好連接了。可以調用網絡I/O進行讀寫操作了,即實現了網咯中不同進程之間的通信!網絡I/O操作有下面幾組:

  • read()/write()
  • recv()/send()
  • readv()/writev()
  • recvmsg()/sendmsg()
  • recvfrom()/sendto()

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數,這兩個函數是最通用的I/O函數,實際上可以把上面的其它函數都替換成這兩個函數。它們的聲明如下:

       #include <unistd.h>

       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

       #include <sys/types.h>
       #include <sys/socket.h>

       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
       ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時,read返回實際所讀的字節數,如果返回的值是0表示已經讀到文件的結束了,小於0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的,如果是ECONNREST表示網絡連接出了問題。

write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回-1,並設置errno變量。 在網絡程序中,當我們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0,表示寫了部分或者是全部的數據。2)返回的值小於0,此時出現了錯誤。我們要根據錯誤類型來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示網絡連接出現了問題(對方已經關閉了連接)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了,具體參見man文檔或者baidu、Google,下面的例子中將使用到send/recv。

3.6、close()函數

在服務器與客戶端建立連接之後,會進行一些讀寫操作,完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字,好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close一個TCP socket的缺省行為時把該socket標記為以關閉,然後立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用,也就是說不能再作為read或write的第一個參數。

註意:close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1,只有當引用計數為0的時候,才會觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接請求。

4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解

我們知道tcp建立連接要進行“三次握手”,即交換三個分組。大致流程如下:

  • 客戶端向服務器發送一個SYN J
  • 服務器向客戶端響應一個SYN K,並對SYN J進行確認ACK J+1
  • 客戶端再想服務器發一個確認ACK K+1

只有就完了三次握手,但是這個三次握手發生在socket的那幾個函數中呢?請看下圖:

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圖1、socket中發送的TCP三次握手

從圖中可以看出,當客戶端調用connect時,觸發了連接請求,向服務器發送了SYN J包,這時connect進入阻塞狀態;服務器監聽到連接請求,即收到SYN J包,調用accept函數接收請求向客戶端發送SYN K ,ACK J+1,這時accept進入阻塞狀態;客戶端收到服務器的SYN K ,ACK J+1之後,這時connect返回,並對SYN K進行確認;服務器收到ACK K+1時,accept返回,至此三次握手完畢,連接建立。

總結:客戶端的connect在三次握手的第二個次返回,而服務器端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解

上面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程,及其涉及的socket函數。現在我們介紹socket中的四次握手釋放連接的過程,請看下圖:

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圖2、socket中發送的TCP四次握手

圖示過程如下:

  • 某個應用進程首先調用close主動關閉連接,這時TCP發送一個FIN M;
  • 另一端接收到FIN M之後,執行被動關閉,對這個FIN進行確認。它的接收也作為文件結束符傳遞給應用進程,因為FIN的接收意味著應用進程在相應的連接上再也接收不到額外數據;
  • 一段時間之後,接收到文件結束符的應用進程調用close關閉它的socket。這導致它的TCP也發送一個FIN N;
  • 接收到這個FIN的源發送端TCP對它進行確認。

這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。

6、一個例子(實踐一下)

說了這麽多了,動手實踐一下。下面編寫一個簡單的服務器、客戶端(使用TCP)——服務器端一直監聽本機的6666號端口,如果收到連接請求,將接收請求並接收客戶端發來的消息;客戶端與服務器端建立連接並發送一條消息。

服務器端代碼:

#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<string.h> #include<errno.h> #include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #define MAXLINE 4096 int main(int argc, char** argv) { int listenfd, connfd; struct sockaddr_in servaddr; char buff[4096]; int n; if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){ printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); exit(0); } memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); servaddr.sin_port = htons(6666); if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){ printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); exit(0); } if( listen(listenfd, 10) == -1){ printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); exit(0); } printf("======waiting for client‘s request======\n"); while(1){ if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){ printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno); continue; } n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0); buff[n] = ‘\0‘; printf("recv msg from client: %s\n", buff); close(connfd); } close(listenfd); } 技術分享圖片

#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<string.h> #include<errno.h> #include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #define MAXLINE 4096 int main(int argc, char** argv) { int listenfd, connfd; struct sockaddr_in servaddr; char buff[4096]; int n; if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){ printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); exit(0); } memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); servaddr.sin_port = htons(6666); if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){ printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); exit(0); } if( listen(listenfd, 10) == -1){ printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); exit(0); } printf("======waiting for client‘s request======\n"); while(1){ if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){ printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno); continue; } n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0); buff[n] = ‘\0‘; printf("recv msg from client: %s\n", buff); close(connfd); } close(listenfd); }
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客戶端代碼:

技術分享圖片客戶端 技術分享圖片

#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<string.h> #include<errno.h> #include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #define MAXLINE 4096 int main(int argc, char** argv) { int sockfd, n; char recvline[4096], sendline[4096]; struct sockaddr_in servaddr; if( argc != 2){ printf("usage: ./client <ipaddress>\n"); exit(0); } if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){ printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno); exit(0); } memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_port = htons(6666); if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){ printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]); exit(0); }if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){ printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); exit(0); } printf("send msg to server: \n"); fgets(sendline, 4096, stdin); if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0) { printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno); exit(0); } close(sockfd); exit(0); }
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當然上面的代碼很簡單,也有很多缺點,這就只是簡單的演示socket的基本函數使用。其實不管有多復雜的網絡程序,都使用的這些基本函數。上面的服務器使用的是叠代模式的,即只有處理完一個客戶端請求才會去處理下一個客戶端的請求,這樣的服務器處理能力是很弱的,現實中的服務器都需要有並發處理能力!為了需要並發處理,服務器需要fork()一個新的進程或者線程去處理請求等。

7、動動手

留下一個問題,歡迎大家回帖回答!!!是否熟悉Linux下網絡編程?如熟悉,編寫如下程序完成如下功能:

服務器端:

接收地址192.168.100.2的客戶端信息,如信息為“Client Query”,則打印“Receive Query”

客戶端:

向地址192.168.100.168的服務器端順序發送信息“Client Query test”,“Cleint Query”,“Client Query Quit”,然後退出。

題目中出現的ip地址可以根據實際情況定。

1、運行SQLPLUS工具

  C:\Users\wd-pc>sqlplus

2、直接進入SQLPLUS命令提示符

  C:\Users\wd-pc>sqlplus /nolog

3、以OS身份連接

  C:\Users\wd-pc>sqlplus / as sysdba 或

  SQL>connect / as sysdba

4、普通用戶登錄

  C:\Users\wd-pc>sqlplus scott/123456  或

  SQL>connect scott/123456 或

  SQL>connect scott/123456@servername

5、以管理員登錄

  C:\Users\wd-pc>sqlplus sys/123456 as sysdba 或

  SQL>connect sys/123456 as sysdba

6、切換用戶

  SQL>conn hr/123456

  註:conn同connect

7、退出

  exit

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