Linux操作系統(tǒng)中BSD套接口開發(fā)的基礎(chǔ)介紹
這是關(guān)于如何用各種可以得到的接口為Linux開發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序的系列文章的第一篇。就像大多數(shù)Unix-based的操作系統(tǒng)一樣，Linux支持將TCP/IP作為本地的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。在這個(gè)系列中，我們假定你已經(jīng)比較熟悉Linux上的C編程和Linux的一些系統(tǒng)知識諸如signals,forking等等。
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(chǔ)介紹 。在下一篇中，我們會解決涉及到建立(網(wǎng)絡(luò))deamon進(jìn)程的問題。而且今后的文章我們還會涉及到使用遠(yuǎn)程過程調(diào)用(RPC)，以及用CORBA/distributed objects進(jìn)行開發(fā)。
一、TCP/IP的基礎(chǔ)介紹
TCP/IP協(xié)議族允許兩個(gè)運(yùn)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)議族是專門為了在不可靠的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通訊設(shè)計(jì)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(chǔ)的字節(jié)傳輸流。TCP將你的信息分割成數(shù)據(jù)報(bào)(不大于64kb)并保證所有的數(shù)據(jù)報(bào)無誤的按照順序都到達(dá)目的地。由于以連接為基礎(chǔ)，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)(非常快的)無連接的不可靠消息傳輸(消息的大小是一個(gè)確定的最大長度)。
為了使程序間可以相互通信，不論他們是在同一個(gè)機(jī)器(通過loopback接口)還是不同主機(jī)，每一個(gè)程序都必須有獨(dú)立的地址。
TCP/IP地址由兩部分組成——用來辨別機(jī)器的IP地址和用來辨別在那臺機(jī)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(jī)名形式的(如，www.csdn.net)。系統(tǒng)可以使用/etc/hosts或DNS域名服務(wù)(如果可以獲得的話)進(jìn)行主機(jī)名到點(diǎn)分符號地址(也就是IP地址)的轉(zhuǎn)換。
端口從1號開始編號。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(tǒng)使用(也就是說，你必須以root的身份建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來綁定這部分的端口)。
最簡單的網(wǎng)絡(luò)程序大都用的客戶-服務(wù)器模型。一個(gè)服務(wù)進(jìn)程等待一個(gè)客戶進(jìn)程連接他。當(dāng)連接建立時(shí)，服務(wù)器代表客戶執(zhí)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(xiàn)。
這套套接口IPC(interprocess communication，進(jìn)程間通訊)設(shè)施(從4.2BSD開始引入)的設(shè)計(jì)是為了能讓網(wǎng)絡(luò)程序的設(shè)計(jì)能夠獨(dú)立于不同的底層通信設(shè)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，你必須通過以下步驟：
?。?）通過函數(shù)socket()建立一個(gè)套接口
（2）通過函數(shù)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，使客戶端知道如何訪問。
（3）通過函數(shù)listem()監(jiān)聽(listen)端口的新的連接請求。
?。?）通過函數(shù)accept()接受新的連接。
通常，維護(hù)代表了客戶的請求可能需要花費(fèi)相當(dāng)長的一段時(shí)間。在處理一個(gè)請求時(shí)，接收和處理新的請求也應(yīng)該是高效的。達(dá)到這種目的的最通常的做法是讓服務(wù)器通過fork()函數(shù)拷貝一份自己的進(jìn)程來接受新的連接。
以下的例子顯示了服務(wù)器是如何用C實(shí)現(xiàn)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(shù)：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(tǒng)調(diào)用，帶有三個(gè)參數(shù)：
* 1、參數(shù)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(shù)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)(或者說通信域(domain))指定不同的協(xié)議
* 參數(shù)，但是通常只有一個(gè)。對于TCP參數(shù)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(shù)，使用0則根據(jù)前
* 兩個(gè)參數(shù)使用默認(rèn)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(yùn)作機(jī)制可以通過套接口選項(xiàng)(socket option)進(jìn)行修改?！ ?
*/
/*
* SO_REUSEADDR選項(xiàng)的設(shè)置將套接口設(shè)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(tǒng)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(nèi)該端口依然保持被綁定的狀態(tài)，其他程序(或者重新啟動 的原程序)無法綁定該端口。
*
* 下面的調(diào)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(dāng)連接中斷時(shí)，需要延遲關(guān)閉(linger)以保證所有數(shù)據(jù)都
* 被傳輸，所以需要打開SO_LINGER這個(gè)選項(xiàng)
* linger的結(jié)構(gòu)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(shù)組
*長度為4(byte)代表一個(gè)IP地址的長度
*/
/*
* 為了使服務(wù)器綁定本機(jī)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(jī)字節(jié)序)
* to n(network byteorder,網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序
* s(short類型)
*/
serverName.sin_port = htons(port);
/* 在一個(gè)地址(本例中的serverSocket)被建立后
* 它就應(yīng)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(xiàn)在套接口就可以被用來監(jiān)聽新的連接。
* BACK_LOG指定了未決連接監(jiān)聽隊(duì)列(listen queue for pending connections)
* 的最大長度。當(dāng)一個(gè)新的連接到達(dá)，而隊(duì)列已滿的話，客戶就會得到連接拒絕錯(cuò)誤。
* (這就是dos拒絕服務(wù)攻擊的基礎(chǔ))。
*/
status = listen(serverSocket, BACK_LOG);
if (-1 == status)
{
perror("listen()");
exit(1);
}
/* 從這里開始，套接口就開始準(zhǔn)備接受請求，并為他們服務(wù)。
* 本例子是用for循環(huán)來達(dá)到這個(gè)目的。一旦連接被接受(accpepted)，
* 服務(wù)器可以通過指針獲得客戶的地址以便進(jìn)行一些諸如記錄客戶登陸之類的
* 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 %s\n",
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(shù)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(xí)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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