Linux操作系統中BSD套接口開(kāi)發(fā)的基礎介紹
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這篇文章是關(guān)于如何用BSD套接口創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )程序的基礎介紹 。在下一篇中，我們會(huì )解決涉及到建立(網(wǎng)絡(luò ))deamon進(jìn)程的問(wèn)題。而且今后的文章我們還會(huì )涉及到使用遠程過(guò)程調用(RPC)，以及用CORBA/distributed objects進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
一、TCP/IP的基礎介紹
TCP/IP協(xié)議族允許兩個(gè)運行在同一臺電腦或者由網(wǎng)絡(luò )連接在一起的兩臺電腦上的程序進(jìn)行通訊。這個(gè)協(xié)議族是專(zhuān)門(mén)為了在不可靠的網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行通訊設計的。TCP/IP允許兩個(gè)基本的操作模式——面向連接的可靠的傳輸(指TCP)和無(wú)連接的(connectionless)不可靠的傳輸(UDP)。
TCP提供帶有對上層協(xié)議透明的中繼功能的，順序的，可靠的，雙向的(bi-directional),以連接為基礎的字節傳輸流。TCP將你的信息分割成數據報(不大于64kb)并保證所有的數據報無(wú)誤的按照順序都到達目的地。由于以連接為基礎，所以一個(gè)虛擬連接必須在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )實(shí)體(network entity)和另一個(gè)之間進(jìn)行通信前建立。UDP相反則提供一個(gè)(非?？斓?無(wú)連接的不可靠消息傳輸(消息的大小是一個(gè)確定的最大長(cháng)度)。
為了使程序間可以相互通信，不論他們是在同一個(gè)機器(通過(guò)loopback接口)還是不同主機，每一個(gè)程序都必須有獨立的地址。
TCP/IP地址由兩部分組成——用來(lái)辨別機器的IP地址和用來(lái)辨別在那臺機器上的特定程序的端口地址。
地址可以是點(diǎn)分(dotted-quad)符號形式的(如，127.0.0.1)或者是主機名形式的(如，www.csdn.net)。系統可以使用/etc/hosts或DNS域名服務(wù)(如果可以獲得的話(huà))進(jìn)行主機名到點(diǎn)分符號地址(也就是IP地址)的轉換。
端口從1號開(kāi)始編號。1和IPP0RT_RESERVED(在/usr/include/netinet/in.h中定義，通常為1024)之間的段口號保留給系統使用(也就是說(shuō)，你必須以root的身份建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)來(lái)綁定這部分的端口)。
最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )程序大都用的客戶(hù)-服務(wù)器模型。一個(gè)服務(wù)進(jìn)程等待一個(gè)客戶(hù)進(jìn)程連接他。當連接建立時(shí)，服務(wù)器代表客戶(hù)執行特定的任務(wù)，通常這這以后連接就中斷了。
二、使用BSD套接口界面
最通行的TCP/IP編程方法就是使用BSD套接口界面編程。通過(guò)它，網(wǎng)絡(luò )端點(diǎn)(network endpoints)(IP地址和端口地址)以套接口(sockets)的形式出現。
這套套接口IPC(interprocess communication，進(jìn)程間通訊)設施(從4.2BSD開(kāi)始引入)的設計是為了能讓網(wǎng)絡(luò )程序的設計能夠獨立于不同的底層通信設施。
1、建立一個(gè)服務(wù)器程序
要使用BSD界面建立一個(gè)服務(wù)器程序，你必須通過(guò)以下步驟：
?。?）通過(guò)函數socket()建立一個(gè)套接口
?。?）通過(guò)函數bind()綁定一個(gè)地址(IP地址和端口地址)。這一步確定了服務(wù)器的位置，使客戶(hù)端知道如何訪(fǎng)問(wèn)。
?。?）通過(guò)函數listem()監聽(tīng)(listen)端口的新的連接請求。
?。?）通過(guò)函數accept()接受新的連接。
通常，維護代表了客戶(hù)的請求可能需要花費相當長(cháng)的一段時(shí)間。在處理一個(gè)請求時(shí)，接收和處理新的請求也應該是高效的。達到這種目的的最通常的做法是讓服務(wù)器通過(guò)fork()函數拷貝一份自己的進(jìn)程來(lái)接受新的連接。
以下的例子顯示了服務(wù)器是如何用C實(shí)現的：
/*
* Simple Hello, World! server
* Ivan Griffin (ivan.griffin@ul.ie)
*/
/* Hellwolf Misty translated */
#include /* */
#include /* exit() */
#include /* memset(), memcpy() */
#include /* uname() */
#include
#include /* socket(), bind(),
listen(), accept() */
#include
#include
#include
#include /* fork(), write(), close() */
/*
* constants
*/
const char MESSAGE[] = Hello, World!n;
const int BACK_LOG = 5;
/*
*程序需要一個(gè)命令行參數：需要綁定的端口號
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int serverSocket = 0,
on = 0,
port = 0,
status = 0,
childPid = 0;
struct hostent *hostPtr = NULL;
char hostname[80] = ;
struct sockaddr_in serverName = { 0 };
if (2 != argc)
{
fprintf(stderr, Usage: %s n,
argv[0]);
exit(1);
}
port = atoi(argv[1]);
/ *
*socket()系統調用，帶有三個(gè)參數：
* 1、參數domain指明通信域，如PF_UNIX(unix域)，PF_INET(IPv4)，
* PF_INET6(IPv6)等
* 2、type指明通信類(lèi)型，最常用的如SOCK_STREAM(面向連接可靠方式，
* 比如TCP)、SOCK_DGRAM(非面向連接的非可靠方式，比如UDP)等。
* 3、參數protocol指定需要使用的協(xié)議。雖然可以對同一個(gè)協(xié)議
* 家族(protocol family)(或者說(shuō)通信域(domain))指定不同的協(xié)議
* 參數，但是通常只有一個(gè)。對于TCP參數可指定為IPPROTO_TCP,對于
* UDP可以用IPPROTO_UDP。你不必顯式制定這個(gè)參數，使用0則根據前
* 兩個(gè)參數使用默認的協(xié)議?！ ?
*/
serverSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM,
IPPROTO_TCP);
if (-1 == serverSocket)
{
perror(socket());
exit(1);
}
/*
* 一旦套接口被建立，它的運作機制可以通過(guò)套接口選項(socket option)進(jìn)行修改?！ ?
*/
/*
* SO_REUSEADDR選項的設置將套接口設置成重新使用舊的地址(IP地址加端口號)而不等待
* 注意：在Linux系統中，如果一個(gè)socket綁定了某個(gè)端口，該socket正常關(guān)閉或程序退出后，
* 在一段時(shí)間內該端口依然保持被綁定的狀態(tài)，其他程序(或者重新啟動(dòng) 的原程序)無(wú)法綁定該端口。
*
* 下面的調用中：SOL_SOCKET代表對SOCKET層進(jìn)行操作
*/
on = 1;
status = setsockopt(serverSocket, SOL_SOCKET,
SO_REUSEADDR,
(const char *) on, sizeof(on));
if (-1 == status)
{
perror(setsockopt(...,SO_REUSEADDR,...));
}
/* 當連接中斷時(shí)，需要延遲關(guān)閉(linger)以保證所有數據都
* 被傳輸，所以需要打開(kāi)SO_LINGER這個(gè)選項
* linger的結構在/usr/include/linux/socket.h中定義：
* struct linger
* {
* int l_onoff; /* Linger active */
* int l_linger; /* How long to linger */
* };
* 如果l_onoff為0，則延遲關(guān)閉特性就被取消。如果非零，則允許套接口延遲關(guān)閉。
* l_linger字段則指明延遲關(guān)閉的時(shí)間
*/
{
struct linger linger = { 0 };
linger.l_onoff = 1;
linger.l_linger = 30;
status = setsockopt(serverSocket,
SOL_SOCKET, SO_LINGER,
(const char *) linger,
sizeof(linger));
if (-1 == status)
{
perror(setsockopt(...,SO_LINGER,...));
}
}
/*
* find out who I am
*/
status = gethostname(hostname,
sizeof(hostname));
if (-1 == status)
{
perror(gethostname());
exit(1);
}
hostPtr = gethostbyname(hostname);
if (NULL == hostPtr)
{
perror(gethostbyname());
exit(1);
}
(void) memset(serverName, 0,
sizeof(serverName));
(void) memcpy(serverName.sin_addr,
hostPtr->h_addr,
hostPtr->h_length);
/*
*h_addr是h_addr_list[0]的同義詞，
* h_addr_list是一組地址的數組
*長(cháng)度為4(byte)代表一個(gè)IP地址的長(cháng)度
*/
/*
* 為了使服務(wù)器綁定本機所有的IP地址，
* 上面一行代碼需要用下面的代碼代替
* serverName.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
*/
serverName.sin_family = AF_INET;
/* htons:h(host byteorder,主機字節序)
* to n(network byteorder,網(wǎng)絡(luò )字節序
* s(short類(lèi)型)
*/
serverName.sin_port = htons(port);
/* 在一個(gè)地址(本例中的serverSocket)被建立后
* 它就應該被綁定到我們獲得的套接口。
*/
status = bind(serverSocket,
(struct sockaddr *) serverName,
sizeof(serverName));
if (-1 == status)
{
perror(bind());
exit(1);
}
/* 現在套接口就可以被用來(lái)監聽(tīng)新的連接。
* BACK_LOG指定了未決連接監聽(tīng)隊列(listen queue for pending connections)
* 的最大長(cháng)度。當一個(gè)新的連接到達，而隊列已滿(mǎn)的話(huà)，客戶(hù)就會(huì )得到連接拒絕錯誤。
* (這就是dos拒絕服務(wù)攻擊的基礎)。
*/
status = listen(serverSocket, BACK_LOG);
if (-1 == status)
{
perror(listen());
exit(1);
}
/* 從這里開(kāi)始，套接口就開(kāi)始準備接受請求，并為他們服務(wù)。
* 本例子是用for循環(huán)來(lái)達到這個(gè)目的。一旦連接被接受(accpepted)，
* 服務(wù)器可以通過(guò)指針獲得客戶(hù)的地址以便進(jìn)行一些諸如記錄客戶(hù)登陸之類(lèi)的
* 任務(wù)。
for (;;)
{
struct sockaddr_in clientName = { 0 };
int slaveSocket, clientLength =
sizeof(clientName);
(void) memset(clientName, 0,
sizeof(clientName));
slaveSocket = accept(serverSocket,
(struct sockaddr *) clientName,
clientLength);
if (-1 == slaveSocket)
{
perror(accept());
exit(1);
}
childPid = fork();
switch (childPid)
{
case -1: /* ERROR */
perror(fork());
exit(1);
case 0: /* child process */
close(serverSocket);
if (-1 == getpeername(slaveSocket,
(struct sockaddr *) clientName,
clientLength))
{
perror(getpeername());
}
else
{
printf(Connection request from %sn,
inet_ntoa(clientName.sin_addr));
}
/*
* Server application specific code
* goes here, e.g. perform some
* action, respond to client etc.
*/
write(slaveSocket, MESSAGE,
strlen(MESSAGE));
/* 也可以使用帶緩存的ANSI函數fprint,
* 只要你記得必要時(shí)用fflush刷新緩存
*/
close(slaveSocket);
exit(0);
default: /* parent process */
close(slaveSocket);/* 這是一個(gè)非常好的習慣
* 父進(jìn)程關(guān)閉子進(jìn)程的套接口描述符
* 正如上面的子進(jìn)程關(guān)閉父進(jìn)程的套接口描述符。
*/
}
}
return 0;
}
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