Linux 网络编程（二）——套接字编程简介

文章目录

2 Socket 套接字

2.1 什么是 Socket

2.2 Socket编程的基本操作

2.3 地址信息的表示

2.4 网络字节序和主机字节序的转换

2.4.1 字节序转换

2.4.2 网络地址初始化与分配

2.5 INADDR_ANY

2.6 Socket 编程相关函数

2.7 C标准中的 main 函数声明

2.8 套接字应用示例

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2 Socket 套接字

2.1 什么是 Socket

套接字（Socket）是计算机网络数据通信的基本概念和编程接口，允许不同主机上的进程通过网络进行数据交换。一个套接字主要由以下三个部分组成

• 网络地址：通常是 IP 地址，用于标识网络上的设备

• 端口号：端口号在同一操作系统内区分不同套接字而设计的，用于标识设备上的特定应用或进程，端口号是一个16位数字，范围是0到65565

• 协议：定义数据传输的规则和格式，如TCP和UDP

2.2 Socket编程的基本操作

• 创建Socket：通过 socket() 系统调用创建一个 Socket，该调用返回 int 类型的文件描述符。
• 绑定地址：对于服务器端，需要使用 bind() 系统调用将 Socket 绑定到一个特定的 IP 地址和端口号上，以便客户端能够连接。（客户端可绑可不绑）
• 监听连接请求(仅适用于TCP)：对于TCP服务器，需要使用 listen() 系统调用开始监听客户端的连接请求。
• 接受连接(仅适用于TCP)：使用 accept() 系统调用接受客户端的连接请求，返回一个新的 Socket 描述符，通过新的 Socket 描述符与客户端进行通信。
• 发起连接(仅适用于TCP客户端)：对于TCP客户端，使用 connect() 系统调用向服务器端发起连接请求。
• 发送和接收数据：通过 send() 和 recv() 系统调用（对于UDP, 使用sendto() 和 recvfrom() 系统调用）发送和接收数据。
• 关闭连接：通信结束后，使用 close() 系统调用关闭 Socket 连接。

2.3 地址信息的表示

在 Socket 编程中，应用程序使用的 IP 地址和端口号以结构体的形式进行了定义。Socket 编程的核心任务之一就是要正确填写主机地址和目标地址，因此，理解这些结构体的定义和使用方法至关重要。

struct sockaddr {sa_family_t		sin_family;		//地址族，IPV4:AF_INET IPv6:AF_INET6char            sa_data[14];    //地址信息
}
-----------------------------------------------------------------------
struct sockaddr_in {sa_family_t		sin_family;		//地址族，IPV4:AF_INET IPv6:AF_INET6uint16_t		sin_port;		//16位TCP/UDP端口号，以网络字节序保存struct in_addr	sin_addr;		//32位IP地址，以网络字节序保存char			sin_zero[8];	//不使用
}struct in_addr {In_addr_t	s_addr;		//32位IPv4地址
}

分割线上的 sockaddr 结构体是 Socket 官方文档中函数的参数，但它仅包含一个地址族字段和一个字符数组用于存储地址数据，无法直接表示 IP 地址和端口号。因此，在实际开发中，我们通常会使用 sockaddr_in 来表示地址字段，然后通过强制类型转换将其转换为 sockaddr 类型。此外，在 sockaddr_in 中，还 “套娃” 了一个 in_addr 结构体，用于存放 IP 地址。（代码块中的数据类型可以参考 POSIX 文档）

2.4 网络字节序和主机字节序的转换

CPU 向内存保存数据的方式有两种，不同的 CPU 保存数据的方式可能也会有所不同

• 大端字节序（大端存储）：高位字节存放低地址部分
• 小端字节序（小端存储）：高位字节存放高地址部分

网络字节序是一种标准的字节存储顺序，用于在网络上传输数据。网络字节序是大端字节序，也就是说，当数据在网络上传输时，无论发送方和接收方的主机字节序是什么保存格式，都必须将数据转换为大端字节序进行传输。

2.4.1 字节序转换

// 将 32 位整数 从主机字节序转换为网络字节序        "Host to Network Long int"  
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);// 将 32 位整数 从网络字节序转换为主机字节序        "Network to Host Long int"  
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);// 将 16 位整数 从主机字节序转换为网络字节序         "Host to Network Short int" 
uint16_t htons(uint16_t hostshort);// 将 16 位整数 从网络字节序转换为主机字节序。       "Network to Host Short int" 
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

以下是字节序转换的测试例程

int main(int argc, char const *argv[])
{//主机端口（小端）unsigned short host_port = 0x1234;//网络端口（大端）unsigned short net_port;unsigned long host_addr = 0x12345678;unsigned long net_addr;net_port = htons(host_port);net_addr = htonl(host_addr);printf("host_port:%x\n",host_port);printf("net_port:%x\n",net_port);printf("host_addr:%lx\n",host_addr);    //%lx 长整形16进制printf("net_addr:%lx\n",net_addr);return 0;
}

2.4.2 网络地址初始化与分配

对于 IP 地址的表示，我们通常很少使用整数型数据来表示地址和端口，而是更倾向于使用点分十进制来表示 IP 地址。接下来介绍的函数都是针对点分十进制表示法的 IP 地址进行操作的，其中一些函数（如 inet_aton 和 inet_pton）还会帮助我们将转换后的地址直接存储在 struct in_addr 结构体中。

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
// 把IPv4点分十进制表示法的iP主机地址cp转换为二进制形式，
// 并将其存储在struct in_addr 结构体中（一步到位），成功返回1，失败返回0，只适用ip协议// 等价于inet_aton函数  唯一不同是inet_pton可以使用任意协议
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst); 
/*
* af：AF_INET（ipv4）或AF_INET6（ipv6）
* src：包含ip地址字符串的字符数组
* dst：指向一个足够大的缓冲区，用于存储转换后的二进制ip地址
* return：成功返回0，失败返回-1，同时设置errno
*/char *inet_ntoa(struct in_addr in);
/*
* 返回一个以网络字节序表示的ip地址，由网络号和主机号组成
* in：点分十进制转换成二进制后的结构体(网络字节序)
* return：成功返回0，失败返回-1，同时设置errno
*///返回ip地址in的网络号部分，返回值以主机字节序（小端）表示
in_addr_t inet_netof(struct in_addr in);//返回ip地址in的主机号部分，返回值以主机字节序表示
in_addr_t inet_lnaof(struct in_addr in);//生成一个IPv4地址，该地址由网络号和网络内的主机号组成
struct in_addr inet_makeaddr(in_addr_t net,in_addr_t host);

注：和 inet_aton 和 inet_pton 功能类似的函数还有 inet_addr，但是不推荐使用，在某些情况下会出现 Bug，因此，本文章不作介绍。以下是上述函数的测试示例

int main(int argc, char const *argv[])
{printf("192.168.6.101的十六进制表示为 0x%X 0x%X 0x%X 0x%X\n",192,168,6,101);// 声明结构体接收数据struct sockaddr_in server_addr;struct in_addr server_in_addr;//将结构体里的值清0memset(&server_addr,0,sizeof(server_addr));memset(&server_in_addr,0,sizeof(server_in_addr));//出错返回-1,但是传入结构体的数据不是-1inet_aton("192.168.6.101",&server_in_addr);printf("inet_aton：0x%X\n",server_in_addr.s_addr);//万能方法  inet_ptoninet_pton(AF_INET,"192.168.6.101",&server_in_addr); printf("inet_pton：0x%X\n",server_in_addr.s_addr);//将结构体转换为字符串（主机字节序）printf("转化回字符串%s\n",inet_ntoa(server_in_addr));//本地网络地址(主机号)printf("本地网络地址：0x%X\n",inet_lnaof(server_in_addr));//网络号地址printf("网络号地址：0x%X\n",inet_netof(server_in_addr));//拼接为完整的ip地址server_addr.sin_addr = inet_makeaddr(inet_netof(server_in_addr),inet_lnaof(server_in_addr));printf("拼接后的ip地址：%s\n",inet_ntoa(server_addr.sin_addr));return 0;
}

2.5 INADDR_ANY

如果我们每次创建服务端套接字都要输 IP 地址会有些繁琐，此时可如下初始化地址信息。

struct sockaddr_in addr;
char*  serv_port = "9190";
memset(&sockaddr_in,0,sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));

利用 常数INADDR_ANY 分配服务器端 IP 地址，若采用这种方式，则可自动获取运行服务器端的计算机IP地址，不必亲自输入。而且，若同一计算机中已分配多个IP地址（多宿主计算机，一般路由器属于这一类），则只要端口号一致，就可以从不同IP地址接收数据。因此，服务器端中优先考虑这种方式。而客户端中除非带有一部分服务器端功能，否则不会采用。

2.6 Socket 编程相关函数

（1）创建套接字 Socket

int socket(int domain, int type, int protocol);
/**
* 创建一个新的Socket。
* domain：指定通信协议族，常使用的协议族如AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6）。
* type：指定Socket的类型，即数据传输的方式，
*       如字节流SOCK_STREAM（TCP）或数据段SOCK_DGRAM（UDP）。
* protocol：计算机通信中所使用的协议，通常为0，表示使用默认协议。
* return：成功返回int类型的Socket文件描述符，失败返回-1。
*/

（2）绑定地址 bind

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
/**
* 将文件描述符sockfd绑定到一个地址addr
* sockfd：Socket描述符。
* addr：指向要绑定的地址结构的指针。
* addrlen：地址结构的长度。
* return：成功返回0，失败返回-1。
*/

（3）监听连接请求 listen   

int listen(int sockfd, int backlog);
/**
* 将sockfd所指向的套接字设置为即监听套接字
* sockfd：Socket描述符。
* backlog：等待连接队列的最大长度。
* return：成功返回0，失败返回-1。
*/

（4）接受连接请求 accept

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
/**
* 接受客户端的连接请求。从监听套接字sockfd的待处理连接队列中提取第一个连接请求，
* 创建一个新的连接套接字，并返回指向该套接字的新文件描述符
* 
* sockfd：Socket描述符。
* addr：用于存储 客户端地址信息 的结构体指针。
* addrlen：指向客户端地址结构体长度的指针
* return：成功返回一个新的Socket描述符，新的socket用来和服务端进行连接通信，失败返回-1。
*/

（5）发起连接请求 connect        

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
/**
* 由客户端调用，来与服务器建立连接
* sockfd：Socket描述符。
* addr：指向服务器端地址结构的指针。
* addrlen：地址结构的长度。
* return：成功返回0，失败返回-1。
*/

（6）发送数据 send

size_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
/**
* sockfd：Socket描述符。
* buf：发送缓冲区
* len：要发送的数据长度
* flags：传输控制标志，通常为0，表示不使用特殊行为
* return：功返回发送的字节数，失败返回-1，同时设置errno
*/

（7）接收数据 revc

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
/**
* sockfd：Socket描述符。
* buf：接收缓冲区
* len：接收缓冲区长度
* flags：传输控制标志，通常为0，表示不使用特殊行为
* return：成功返回收到的字节数，如果连接已经正常关闭，返回0
*         如果出现错误，返回-1，同时设置errno
*/

（8）关闭连接 shutdown

int shutdown(int sockfd,int how);
/**
* 关闭socket的一部分或全部连接
* sockfd：Socket描述符。
* how：指定关闭的类型，可以取值为：
* 					SHUT_RD：关闭读
* 					SHUT_WR：关闭写
* 					SHUT_RDWR：同时关闭读取和写入
* return：成功返回0，失败返回-1，同时设置errno
*/

（9）关闭连接 close

int close(int sockfd);
/**
* 终止一个套接字的连接(如果已连接上)，然后关闭文件描述符，释放相关的资源。
* close是关闭数据传输的两个方向，之后进程将无法读/写入套接字。
* 
* sockfd：Socket描述符。
* return：成功返回0，失败返回-1，同时设置errno
*/

2.7 C标准中的 main 函数声明

在正式开始套接字编程之前，我们先简要了解一下 C 标准中的 main 函数声明。C 语言提供了以下两种 main 函数声明方式。

（1）无参形式

C99 标准之前，main 函数没有参数的形式被写成 int main()。从C99标准开始，推荐使用 int main(void) 明确指明 main 函数不接受任何参数，以提高代码的可读性和一致性。

int main(void) 
int main()

（2）有参形式

int main(int argc, char *argv[])

• argc：传递给程序的命令行参数的数量

• argv：指向字符串数组指针，存储了命令行参数

• argv[0]：通常是程序名称

• argv[1] 和 argv[argc-1] 是实际的命令行参数

2.8 套接字应用示例

以下应用示例是基于TCP协议进行通信，目前还未涉及TCP协议，因此，阅读代码时请重点关注套接字相关函数的调用过程，不必理解全部示例。

（1）服务器端 hello_server.c

#define handle_error(cmd,result)    \if(result < 0)                  \{                               \perror(cmd);                \return -1;                  \}                               \int main(int argc, char const *argv[])
{//服务端和客户端地址struct sockaddr_in serv_addr;struct sockaddr_in clnt_addr;memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));memset(&clnt_addr,0,sizeof(clnt_addr));char message[] = "Hello World";//命令行参数是否为两个if(argc != 2) {printf("Usage:%s <port>\n",argv[0]);exit(1);}//初始化IP地址serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));//INADDR_ANY 是一个宏，表示服务器监听所有可用的网络接口（即 0.0.0.0）//serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   //写法一inet_pton(AF_INET,"0.0.0.0",&serv_addr.sin_addr);   //写法二//1、创建套接字int serv_sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);handle_error("socket",serv_sock);//2、绑定地址int temp=bind(serv_sock,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(serv_addr));handle_error("bind",temp);//3、监听temp = listen(serv_sock,128);handle_error("listen",temp);//4、接受连接socklen_t clnt_size = sizeof(clnt_addr);//注意accept的第三个参数是 指向服务端地址长度的指针//此处的文件描述符clnt_sock是用来向服务端进行通信的int clnt_sock=accept(serv_sock,(struct sockaddr*)&clnt_addr,&clnt_size);handle_error("accept",clnt_sock);printf("与客户端%s %d建立连接 文件描述符：%d\n",inet_ntoa(clnt_addr.sin_addr),ntohs(clnt_addr.sin_port),clnt_sock);//5、发送数据// write(clnt_sock,message,sizeof(message));int count = send(clnt_sock,message,1024,0);handle_error("send",count);//6、关闭套接字连接close(serv_sock);close(clnt_sock);return 0;
}

（2）客户端 hello_client.c

#define handle_error(cmd,result)    \if(result < 0)                  \{                               \perror(cmd);                \return -1;                  \}                               \int main(int argc, char const *argv[])
{struct sockaddr_in serv_addr;struct sockaddr_in clnt_addr;memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));memset(&clnt_addr,0,sizeof(clnt_addr));char *message = NULL;message = malloc(sizeof(char)*1024);if(argc != 3) {printf("Usage:%s <IP> <port>\n",argv[0]);exit(1);}serv_addr.sin_family = AF_INET; inet_pton(AF_INET,argv[1],&serv_addr.sin_addr); serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); //客户端套接字通信流程int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);handle_error("socket",sock);int temp=connect(sock,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(serv_addr));handle_error("connect",temp);printf("连上服务器端%s %d\n",inet_ntoa(serv_addr.sin_addr),ntohs(serv_addr.sin_port));//客户端不必像accept那样返回新的文件描述符，因此一直使用sock通信int str_len = recv(sock,message,1024,0);handle_error("recv",str_len);printf("Message from server:%s\n",message);close(sock);free(message);return 0;
}

（3）测试结果

127.0.0.1是回送地址（loopbackaddress)，指的是计算机自身IP地址。因为本例当中服务器端和客户端在同一计算机中运行，因此，连接目标服务器端的地址为127.0.0.1。当然，若用实际IP地址代替此地址也能正常运转。如果服务器端和客户端分别在 2 台计算机中运行，则可以输人服务器端 IP 地址。