Linux网络编程基础API

Linux网络编程基础API

Linux网络API主要可分为：

• socket地址API
• socket基础API
• 网络信息API

socket地址API 主机字节序和网络字节序

两种字节序

• 大端字节序：整数的高位字节存储在内存的低地址处。
• 小端字节序：整数的高位字节存储在内存的高地址处。

主机字节序（小端）

现代PC大多采用小端字节序，因此小端字节序又被称为主机字节序。

网络字节序（大端）

发送方主机通过网络传递数据时，将机器字节序转化为大端字节序然后进行传输；接收方接收大端数据后，将转化为本地机器字节序。

机器字节序判断

#include <stdio.h>

void byteorder()
{
	union
	{
		short value;
		char union_bytes[sizeof(short)];
	} test;
	test.value = 0x0102;
	if ((test.union_bytes[0] == 1) && (test.union_bytes[1] == 2))
	{
		printf("big endian\n");
	}
	else if ((test.union_bytes[0] == 2) && (test.union_bytes[1] == 1))
	{
		printf("little endian\n");
	}
	else
	{
		printf("unknown...\n");
	}
}

字节序的转换

以下4个函数可用来完成主机字节序和网络字节序之间的转换：

#include<netinet/in.h>
unsigned long int htonl( unsigned long int hostlong)    // host to network long
unsigned short int htons( unsigned short int hostshort) // host to network short
unsigned long int ntohl( unsigned long int netlong)     // network to host long
unsigned short int ntohs( unsigned short int hostlong)  // network to host short

通用socket地址

socket地址结构体

#inlcude<bits/socket.h>

//旧，sa_data太小，无法存放部分协议的地址值
struct sockaddr{
    sa_family_t sa_family;	// 协议簇
    char sa_data[14];		// 存放socket地址值
}
//新
struct sockaddr_storage{
    sa_family_t sa_family;						//协议簇
    unsigned long int __ss_align;				//用于内存对齐
    char __ss_padding[128-sizeof(__ss_align)];	//存放地址值
}

协议簇及其地址值

协议簇/地址簇 描述 地址值含义和长度 PF_UNIX/AF_UNIX UNIX本地域协议簇 文件的路径名 PF_INET/AF_INET TCP/IPv4协议簇 IPv4地址，IP+PORT，6字节 PF_INET6/AF_INET6 TCP/IPv6协议簇 专用socket地址

注：所有专用socket地址类型的变量在实际使用时都需要转化为通用socket地址类型sockaddr（强制转换即可），因为所有socket编程接口使用的地址参数类型都是sockaddr。

通用socket地址结构使用麻烦，设置IP地址和端口号需要执行繁琐的位操作。Linux为各个协议簇提供了专门的socket地址结构体。

• UNIX本地协议簇

#include <sys/un.h>
struct sockaddr_un{
    sa_family_t sin_family;	// 地址簇：AF_UNIX
    char sun_path[108];		// 文件路径名
}

• TCP/IPv4协议簇

#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in
{
	sa_family_t sin_family;		//地址族：AF_INET
	u_int16_t sin_port;			//端口号，要用网络字节序表示
	struct in_addr sin_addr;	//IPV4地址结构体
}
struct in_addr 
{
	u_int32_t s_addr;			//ipv4地址，要用网络字节序
}

• TCP/IPv6协议簇

struct sockaddr_in6
{
	sa_family_t sin6_family;   //地址族：AF_INET6
	u_int16_t sin6_port;       //端口号，要用网络字节序表示
	u_int32_t sin6_flowinfo;   //流信息，应设置为0
	struct in6_addr sin6_addr; //IPv6地址结构体
	u_int32_t sin6_scope_id;
};
struct in6_addr
{
	unsigned char sa_addr[16]; //IPv6地址，要用网络字节序表示
}

IP地址转换函数

IP地址的表示方式

• 点分十进制：便于阅读
• 二进制整数（网络字节序）：便于机器表示与处理

表示法之间的转换

//IPv4地址和网络字节序整数表示的IPv4地址之间的转换：

#include <arpa/inet.h>

//点分十进制 转 网络字节序整数
in_addr_t inet_addr(const char* strptr);

//功能同于inet_addr，并将结果存于inp
int inet_aton(const char* cp, strcut in_addr* inp);

//网络字节序整数 转 点分十进制，函数内部使用静态变量存储转化结果(不可重入)
char* inet_ntoa(struct in_addr in);

socket基础API

在linux中，socket是一个可读、可写、可控制、可关闭的文件描述符。

创建socket

socket系统调用创建socket，创建时指定协议簇、服务类型。

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

// domain:		使用哪个底层协议簇。	PF_INET、PF_INET6或PF_UNIX
// type:		指定服务类型。	SOCK_STREAM（流服务）、SOCK_UGRAM（数据报）
// protocol:	几乎所有情况下，设置为0
int socket(int domain, int type, int protocol);

注：协议簇为PF_INET（IPv4）时，SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM分别表示TCP与UDP。

命名socket

命名

与socket地址绑定后的socket，被称为命名socket。

• 服务端：使用命名socket，绑定固定地址，便于客户端连接。
• 客户端：使用匿名socket，操作系统自动分配的socket地址。

地址绑定

bind系统调用将socket绑定固定IP地址。

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

// sockfd:		socket文件描述符
// sockaddr:	socket地址
// addrlen:		socket地址长度
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen);

监听socket

listen系统调用创建一个监听队列以存放待处理的客户连接。

#include <sys/socket.h>

// sockfd：	socket文件描述符
// backlog:	内核监听队列的最大长度（2.2以上版本指处于完全连接状态的socket的上限）
int listen(int sockfd, int backlog);

接受连接

accept系统嗲用从listen监听队列中接受一个连接。

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

// sockfd：	监听socket文件描述符
// addr：	客户端socket地址
// addrlen：	客户端socket地址长度
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

注：accept只是从监听队列中取出连接，而不论连接处于何种状态（完全连接、半连接或关闭），更不关心任何网络状况的变化。

发起连接

connect系统调用用于与目标服务器建立连接。

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

//sockfd：		socket文件描述符
//serv_addr：	服务器监听socket地址
//addrlen：		服务器监听socket地址长度
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

关闭连接

• close：可用于关闭连接对应的socket，引用计数减1，引用计数为0是真正关闭连接。

#include <unistd.h>

int close(int fd);

• shutdown：shutdown系统调用可立即终止连接。

#include <sys/socket.h>

int shutdown(int sockfd, int howto)； //howto参数决定了shutdown的行为

howto可选值 含义 SHUT_RD 关闭socket读端 SHUT_WR 关闭socket写端 SHUT_RDWR 关闭socket读与写端 数据读写 TCP数据读写

读写socket可用文件读写系统调用（read/write），也可用专用的读写系统调用（recv/send）。

• 通用读写接口read/write
• socket专用读写系统调用

recv /send系统调用

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

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

UDP数据读写

recvfrom/sendto系统调用用于UDP数据报读写。

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

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

通用数据读写

#include <sys/socket.h>

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

地址信息函数

• getsockname：获取sockfd对应的本端socket地址

• getpeername：后去sockfd对应的远端socket地址

#include <sys/socket.h>

int getsockname(int sockfd, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);

带外标记 socket选项 网络信息API 获取主机信息

• gethostbyname: 根据主机名称获取主机的完整信息。优先本地的/etc/hosts文件中查找，不存在则访问DNS服务器。
• gethostaddr：根据IP地址获取主机的完整信息

#include <netdb.h>

struct hostent* gethostbyname(const char* name);
struct hostent* gethostbyaddr(const void* addr, size_t len, int type);

获取服务信息

• getservbyname：根据名称获取某个服务的完整信息
• getservbyport：根据端口号获取某个服务的完整信息

注：两者都是通过读取/etc/services文件来获取服务的信息的。

#include <netdb.h>

struct servent* getservbyname(const char* name, const char* proto);
struct servent* getservbyport(int port, const char* proto);

getaddrinfo

• 获取IP地址：通过主机名获取IP地址，内部调用gethostbyname
• 获取端口号：通过服务名获取端口号，内部调用getservbyname

#include <netdb.h>

int getaddrinfo(const char* hostname, const char* service, const struct addrinfo* hints, struct addrinfo** result);

getnameinfo

通过socket地址同时获得以字符串表示的主机名（调用gethostbyaddr）和服务名（调用getservbyport）。

#inlcude <netdb.h>
int getnameinfo(const struct sockaddr* sockaddr, socklen_t addrlen, char* host, socklen_t hostlen, char* serv, socklen_t servlen, int flags);