Linux网络编程基础API

2021-12-15 14:50:31 浏览数 (1)

为何需要半关闭

考虑以下情况：

  • 一旦客户端连接到服务器，服务器将约定的文件传输给客户端，客户端收到后发送字符串「Thank you」给服务器端。

  此处「Thank you」的传递是多余的，这只是用来模拟客户端断开连接前还有数据要传输的情况。此时程序实现的难度并不小，因为传输文件的服务器端只需连续传输文件数据即可，而客户端无法知道需要接收数据到何时。客户端也没办法无休止的调用输入函数，因为这有可能导致程序阻塞。

  • 是否可以让服务器和客户端约定一个代表文件尾的字符？

  这种方式也有问题，因为这意味这文件中不能有与约定字符相同的内容。为了解决该问题，服务端应最后向客户端传递 EOF 表示文件传输结束。客户端通过函数返回值接受 EOF ，这样可以避免与文件内容冲突。那么问题来了，服务端如何传递 EOF？

  • 断开输出流时向主机传输 EOF。

  当然，调用 close 函数的同时关闭 I/O 流，这样也会向对方发送 EOF 。但此时无法再接受对方传输的数据。换言之，若调用 close 函数关闭流，就无法接受客户端最后发送的字符串「Thank you」。这时需要调用 shutdown 函数，只关闭服务器的输出流。这样既可以发送 EOF ，同时又保留了输入流。下面实现收发文件的服务器端/客户端。

基于TCP的半关闭

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#include<sys/socket.h>
/* Shut down all or part of the connection open on socket FD.
   HOW determines what to shut down:
     SHUT_RD   = No more receptions;
     SHUT_WR   = No more transmissions;
     SHUT_RDWR = No more receptions or transmissions.
   Returns 0 on success, -1 for errors.  */
extern int shutdown (int __fd, int __how) __THROW;
//成功返回0，错误返回-1。
  • __fd:需要断开的套接字文件描述符。
  • __how:传递断开方式信息。
    • SHUT_RD =不再接收;
    • SHUT_WR =不再传输;
    • SHUT_RDWR =不再接收和传输。

TCP数据读写

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/* Send N bytes of BUF to socket FD.  Returns the number sent or -1.

   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern ssize_t send (int __fd, const void *__buf, size_t __n, int __flags);

/* Read N bytes into BUF from socket FD.
   Returns the number read or -1 for errors.

   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern ssize_t recv (int __fd, void *__buf, size_t __n, int __flags);
  • recv读取sockfd上的数据，buf和len参数分别指定读缓冲区的位置和大小，flags参数通常设置为0即可。recv 成功时返回实际读取到的数据的长度，它可能小于我们期望的长度len。因此我们可能要多次调用recv,才能读取到完整的数据。recv 可能返回0，这意昧着通信对方已经关闭连接了。recv 出错时返回-1并设置errno。
  • send往sockfd上写入数据，buf和len参数分别指定写缓冲区的位置和大小。send成功时返回实际写人的数据的长度，失败则返回-1并设置ermo。

flags参数为数据收发提供了额外的控制，它可以取表所示选项中的一个或几个的逻辑或。

UDP数据读写

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/* Send N bytes of BUF on socket FD to peer at address ADDR (which is
   ADDR_LEN bytes long).  Returns the number sent, or -1 for errors.

   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern ssize_t sendto (int __fd, const void *__buf, size_t __n,
		       int __flags, __CONST_SOCKADDR_ARG __addr,
		       socklen_t __addr_len);

/* Read N bytes into BUF through socket FD.
   If ADDR is not NULL, fill in *ADDR_LEN bytes of it with tha address of
   the sender, and store the actual size of the address in *ADDR_LEN.
   Returns the number of bytes read or -1 for errors.

   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern ssize_t recvfrom (int __fd, void *__restrict __buf, size_t __n,
			 int __flags, __SOCKADDR_ARG __addr,
			 socklen_t *__restrict __addr_len);
  • recvfrom读取sockfd上的数据，buf 和len参数分别指定读缓冲区的位置和大小。因为UDP通信没有连接的概念，所以我们每次读取数据都需要获取发送端的socket地址，即参数src_ addr 所指的内容，addrlen 参数则指定该地址的长度。
  • sendto往sockfd.上写人数据，buf 和len参数分别指定写缓冲区的位置和大小。dest addr参数指定接收端的socket地址，addrlen 参数则指定该地址的长度。这两个系统调用的flags参数以及返回值的含义均与send/recv系统调用的flags 参数及返回值相同。值得一提的是，recvfrom/sendto 系统调用也可以用于面向连接(STREAM)的socket的数据读写，只需要把最后两个参数都设置为NULL以忽略发送端/接收端的socket地址(因为我们已经和对方建立了连接，所以已经知道其socket地址了)。

通用数据读写函数

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/* Structure for scatter/gather I/O.  */
struct iovec
  {
    void *iov_base;	/* Pointer to data.  */
    size_t iov_len;	/* Length of data.  */
  };

/* Structure describing messages sent by
   `sendmsg' and received by `recvmsg'.  */
struct msghdr
  {
    void *msg_name;		/* Address to send to/receive from.  */
    socklen_t msg_namelen;	/* Length of address data.  */

    struct iovec *msg_iov;	/* Vector of data to send/receive into.  */
    size_t msg_iovlen;		/* Number of elements in the vector.  */

    void *msg_control;		/* Ancillary data (eg BSD filedesc passing). */
    size_t msg_controllen;	/* Ancillary data buffer length.
				   !! The type should be socklen_t but the
				   definition of the kernel is incompatible
				   with this.  */

    int msg_flags;		/* Flags on received message.  */
  };
  
/* Receive a message as described by MESSAGE from socket FD.
   Returns the number of bytes read or -1 for errors.

   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern ssize_t recvmsg (int __fd, struct msghdr *__message, int __flags);
  • msg_name成员指向--个socket地址结构变量。它指定通信对方的socket地址。对于面向连接的TCP协议，该成员没有意义，必须被设置为NULL，这是因为对数据流socket而言，对方的地址已经知道。
  • msg_namelen成员则指定了msg_name 所指socket地址的长度。
  • 由上可见，iovec结构体封装了一块内存的起始位置和长度。msg_iovlen指定这样的iovec结构对象有多少个。对于recvmsg而言，数据将被读取并存放在msg_ jiovlen 块分散的内存中，这些内存的位置和长度则由msg_iov指向的数组指定，这称为分散读(satter read);对于sendmsg而言，msg_iovlen 块分散内存中的数据将被-并发送，这称为集中写(gather write)。
  • msg_ control 和msg_ controllen 成员用于辅助数据的传送。
  • msg_ fags成员无须设定，它会复制recvmsg/sendmsg的flags参数的内容以影响数据读写过程。recvmsg 还会在调用结束前，将某些更新后的标志设置到msg. flags 中。recvmsg/sendmsg的flags 参数以及返回值的含义均与send/recv的flags参数及返回值相同。

外带标记

在实际应用中，我们通常无法预期带外数据何时到来。好在Linux内核检测到TCP紧急标志时，将通知应用程序有带外数据需要接收。内核通知应用程序带外数据到达的两种常见方式是: 1O复用产生的异常事件和SIGURG信号。但是，即使应用程序得到了有带外数据需要接收的通知，还需要知道带外数据在数据流中的具体位置，才能准确接收带外数据。这- -点可通过如下系统调用实现:

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#ifdef __USE_XOPEN2K
/* Determine whether socket is at a out-of-band mark.  */
extern int sockatmark (int __fd) __THROW;
#endif

sockatmark判断sockfd是否处于带外标记，即下一个被读取到的数据是否是带外数据。如果是，sockatmark 返回I,此时我们就可以利用带MSG_0OB标志的reev调用来接收带外数据。如果不是，则sockatmark返回0。

地址信息函数

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/* Put the local address of FD into *ADDR and its length in *LEN.  */
extern int getsockname (int __fd, __SOCKADDR_ARG __addr,
			socklen_t *__restrict __len) __THROW;
			
/* Put the address of the peer connected to socket FD into *ADDR
   (which is *LEN bytes long), and its actual length into *LEN.  */
extern int getpeername (int __fd, __SOCKADDR_ARG __addr,
			socklen_t *__restrict __len) __THROW;
  • getsockname获取sockfd对应的本端socket地址，并将其存储于address参数指定的内存中，该socket地址的长度则存储于address_len参数指向的变量中。如果实际socket地址的长度大于address所指内存区的大小，那么该socket地址将被截断。getsockname 成功时返 回0，失败返回-1并设置errno。
  • getpeemame获取sockfd对应的远端socket地址，其参数及返回值的含义与getsockname的参数及返回值相同。

socket选项

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/* Put the current value for socket FD's option OPTNAME at protocol level LEVEL
   into OPTVAL (which is *OPTLEN bytes long), and set *OPTLEN to the value's
   actual length.  Returns 0 on success, -1 for errors.  */
extern int getsockopt (int __fd, int __level, int __optname,
		       void *__restrict __optval,
		       socklen_t *__restrict __optlen) __THROW;

/* Set socket FD's option OPTNAME at protocol level LEVEL
   to *OPTVAL (which is OPTLEN bytes long).
   Returns 0 on success, -1 for errors.  */
extern int setsockopt (int __fd, int __level, int __optname,
		       const void *__optval, socklen_t __optlen) __THROW;
//成功时返回0，失败时返回-1并设置error

sockfd参数指定被操作的目标socket。level 参数指定要操作哪个协议的选项(即属性),比如IPv4、IPv6、 TCP等。option_ name 参数则指定选项的名字。我们在表中列举了socket通信中几个比较常用的socket 选项。option_ value 和option_ len 参数分别是被操作选项的值和长度。不同的选项具有不同类型的值，如表中“数据类型”一列所示。

值得指出的是，对服务器而言，有部分socket选项只能在调用listen系统调用前针对业听socket设置才有效。这是因为连接socket只能由accept调用返回，而accept从listen听队列中接受的连接至少已经完成了TCP三次握手的前两个步骤(因为listen监听队列的连接至少已进入SYN_ RCVD状态，这说明服务器已经往接受连接上发送出了TCP同步报文段。但有的socket选项却应该在TCP同步报文段中设置，比如TCP最大报文段选项。对这种情况，Linux给开发人员提供的解决方案是:对监听socket设置这些socket选项，那么accept返回的连接socket将自动继承这些选项。这些socket选项包括: SO_DEBUG、SO_DONTROUTE、SO_KEEPALIVE、SO_LINGER、SO_OOBINLINE、SO_RCVBUF、SO_RCVLOWAT、sO_SNDBUF、SO_SNDLOWAT、TCP_MAXSEG和TCP_NODELAY。而对客户端而言，这些socket选项则应该在调用connect函数之前设置，因为connect调用成功返回之后，TCP三次握手已完成。

网络信息API

利用域名获取IP地址

IP地址比域名发生变更的概率要高，所以利用IP地址编写程序并非上策。

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#include<netdb.h>

/* Description of data base entry for a single host.  */
struct hostent
{
  char *h_name;			/* Official name of host.  */
  char **h_aliases;		/* Alias list.  */
  int h_addrtype;		/* Host address type.  */
  int h_length;			/* Length of address.  */
  char **h_addr_list;		/* List of addresses from name server.  */
#ifdef __USE_MISC
# define	h_addr	h_addr_list[0] /* Address, for backward compatibility.*/
#endif
};

/* Return entry from host data base for host with NAME.

   This function is a possible cancellation point and therefore not
   marked with __THROW.  */
extern struct hostent *gethostbyname (const char *__name);
//成功时返回 hostent 结构体地址，失败时返回 NULL 指针。
  • h_name：该变量中存有官方域名（Official domain name）。官方域名代表某一主页，但实际上，一些著名公司的域名并没有用官方域名注册。
  • h_aliases：可以通过多个域名访问同一主页。同一IP可以绑定多个域名，因此，除官方域名外还可以指定其他域名。这些信息可以通过 h_aliases 获得。
  • h_addrtype：gethostbyname 函数不仅支持 IPV4 还支持 IPV6 。因此可以通过此变量获取保存在- - h_addr_list 的IP地址族信息。若是 IPV4 ，则此变量中存有 AF_INET。
  • h_length：保存IP地址长度。若是 IPV4 地址，因为是 4 个字节，则保存4；IPV6 时，因为是 16 个字节，故保存16。
  • h_addr_list：这个是最重要的的成员。通过此变量以整数形式保存域名相对应的IP地址。另外，用户比较多的网站有可能分配多个IP地址给同一个域名，利用多个服务器做负载均衡，此时可以通过此变量获取IP地址信息。
  • __name:传入的域名。

调用 gethostbyname 函数后，返回的结构体变量如图：

利用IP地址获取域名

代码语言：javascript复制
/* Return entry from host data base which address match ADDR with
   length LEN and type TYPE.

   This function is a possible cancellation point and therefore not
   marked with __THROW.  */
extern struct hostent *gethostbyaddr (const void *__addr, __socklen_t __len,int __type);
//成功时返回 hostent 结构体地址，失败时返回 NULL 指针。
  • addr: 含有IP地址信息的 in_addr 结构体指针。为了同时传递 IPV4 地址之外的全部信息，该变量的类型声明为 char 指针；
  • len: 向第一个参数传递的地址信息的字节数，IPV4时为 4 ，IPV6 时为16；
  • family: 传递地址族信息，ipv4 是 AF_INET ，IPV6是 AF_INET6。

getaddrinfo

getaddrinfo函数既能通过主机名获得IP地址(内部使用的是gethostbyname函数),也能通过服务名获得端口号(内部使用的是getservbyname函数)。它是否可重人取决于其内部调用的gethostbyname和getservbyname函数是否是它们的可重人版本。该函数的定义如下:

代码语言：javascript复制
/* Extension from POSIX.1:2001.  */
#ifdef __USE_XOPEN2K
/* Structure to contain information about address of a service provider.  */
struct addrinfo
{
  int ai_flags;			/* Input flags.  */
  int ai_family;		/* Protocol family for socket.  */
  int ai_socktype;		/* Socket type.  */
  int ai_protocol;		/* Protocol for socket.  */
  socklen_t ai_addrlen;		/* Length of socket address.  */
  struct sockaddr *ai_addr;	/* Socket address for socket.  */
  char *ai_canonname;		/* Canonical name for service location.  */
  struct addrinfo *ai_next;	/* Pointer to next in list.  */
};

/* Translate name of a service location and/or a service name to set of
   socket addresses.

   This function is a possible cancellation point and therefore not
   marked with __THROW.  */
extern int getaddrinfo (const char *__restrict __name,
			const char *__restrict __service,
			const struct addrinfo *__restrict __req,
			struct addrinfo **__restrict __pai);

hostname参数可以接收主机名，也可以接收字符串表示的IP地址(IPv4 采用点分十进制字符串，IPv6则采用十六进制字符串)。同样，service 参数可以接收服务名，也可以接收字符串表示的十进制端口号。hints参数是应用程序给getaddrinfo的一个提示，以对getaddrinfo的输出进行更精确的控制。hints 参数可以被设置为NULL,表示允许getaddrinfo反馈任何可用的结果。result 参数指向一个链表，该链表用于存储getaddrinfo 反馈的结果。

addrinfo结构体中，ai_ protocol 成员是指具体的网络协议，其含义和socket系统调用的第三个参数相同，它通常被设置为0。ai_fags 成员可以取表中的标志的按位或。

当我们使用hints参数的时候，可以设置其ai_flags，ai_family，ai_socktype和ai_protocol四个字段，其他字段则必须被设置为NULL。

getaddrinfo 将隐式地分配堆内存(可以通过valgrind等工具查看)，因为res指针原本是没有指向一块合法内存的，所以，getaddrinfo 调用结束后，我们必须使用如下配对函数来释放这块内存。

代码语言：javascript复制
/* Free `addrinfo' structure AI including associated storage.  */
extern void freeaddrinfo (struct addrinfo *__ai) __THROW;

getnameinfo

代码语言：javascript复制
/* Translate a socket address to a location and service name.

   This function is a possible cancellation point and therefore not
   marked with __THROW.  */
extern int getnameinfo (const struct sockaddr *__restrict __sa,
			socklen_t __salen, char *__restrict __host,
			socklen_t __hostlen, char *__restrict __serv,
			socklen_t __servlen, int __flags);
#endif	/* POSIX */

getnameinfo函数能通过socket地址同时获得以字符串表示的主机名(内部使用的是gethostbyaddr函数)和服务名(内部使用的是getservbyport函数)。它是否可重人取决于其内部调用的gethostbyaddr和getservbyport 函数是否是它们的可重人版本。该函数的定义getnameinfo将返回的主机名存储在host参数指向的缓存中，将服务名存储在serv参数指向的缓存中，hostlen和servlen参数分别指定这两块缓存的长度。flags参数控制getnameinfo的行为，它可以接收表的选项。

getnameinfo和getaddrinfo函数成功时返回0，失败时返回错误码，可能的错误码如表：

Linux下strerror函数能将数值错误码error转换成易读的字符串形式，同样下面的函数可将表错误码转换成字符串形式。

代码语言：javascript复制
/* Convert error return from getaddrinfo() to a string.  */
extern const char *gai_strerror (int __ecode) __THROW;

代码

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i;
    struct hostent *host;
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <addr>n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    // 把参数传递给函数，返回结构体
    host = gethostbyname(argv[1]);
    if (!host)
        error_handling("gethost... error");
    // 输出官方域名
    printf("Official name: %s n", host->h_name);
    // Aliases 解析的 cname 域名
    for (i = 0; host->h_aliases[i]; i  )
        printf("Aliases %d: %s n", i   1, host->h_aliases[i]);
    //看看是不是ipv4
    printf("Address type: %s n",
           (host->h_addrtype == AF_INET) ? "AF_INET" : "AF_INET6");
    // 输出ip地址信息
    for (i = 0; host->h_addr_list[i]; i  )
        printf("IP addr %d: %s n", i   1,
               inet_ntoa(*(struct in_addr *)host->h_addr_list[i]));
    return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('n', stderr);
    exit(1);
}
代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct hostent *host;
    struct sockaddr_in addr;
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <IP>n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    host = gethostbyaddr((char *)&addr.sin_addr, 4, AF_INET);
    if (!host)
    {
        error_handling("gethost... error");
    }
    printf("Official name: %s n", host->h_name);
    for (int i = 0; host->h_aliases[i]; i  )
    {
        printf("Aliases %d:%s n", i   1, host->h_aliases[i]);
    }
    printf("Address type: %s n",(host->h_addrtype == AF_INET) ? "AF_INET" : "AF_INET6");
    for (int i = 0; host->h_addr_list[i]; i  )
    {
        printf("IP addr %d: %s n", i   1,inet_ntoa(*(struct in_addr *)host->h_addr_list[i]));
    }

    return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('n', stderr);
    exit(1);
}
socket编程 ipv6 tcp/ip 编程算法

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