六星经典CSAPP-笔记(11)网络编程

六星经典CSAPP-笔记(11)网络编程

参照《深入理解计算机系统》简单学习了下Unix/Linux的网络编程基础知识，进一步深入学习Linux网络编程和TCP/IP协议还得参考Stevens的书。

1.网络基础

（略过，待补充）

2.IP地址

2.1 IP地址的表示

IP地址是一个无符号的32位整数。Linux网络程序使用下面这种IP地址结构存储IP地址：

/* Internet address structure */
struct in_addr {
    unsigned int s_addr; /* Network byte order (big-endian) */
};

2.2 IP地址转换

因为网络中的主机有可能有不同的字节序，所以TCP/IP协议定义了一种统一的网络字节序 Network Byte Order，即大尾端字节序（基础知识请参考六星经典CSAPP笔记(2)信息的操作和表示）。这样不论主机是大尾端还是小尾端，网络传输时在数据包的header中保存的IP地址都是网络字节序（大尾端）的，实现了程序的可移植性。为了方便这种操作，Unix提供了一些库函数供我们调用。

System Call	Function
unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong)	Convert a 32-bit integer from host byte order to network byte order
unsigned short int htons(unsigned short int hostshort)	Convert a 16-bit integer from host byte order to network byte order
unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong)	Convert a 32-bit integer from network byte order to host byte order
unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort)	Convert a 16-bit integer from network byte order to host byte order
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp)	Convert a dotted-decimal string (cp) to an IP address in network byte order (inp)
char *inet_ntoa(struct in_addr in)	Convert an IP address in network byte order to its corresponding dotted-decimal string

前四个函数包含在netinet/in.h头文件中，用来在主机字节序和网络字节序间转换。后两个函数包含在arpa/inet.h中，用来在IP地址字符串和in_addr数据结构间转换。下面来看一个小例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    struct in_addr addr;
    char *addr_str;
    uint32_t net_ip;

    addr_str = "192.168.1.100";

    if (inet_aton(addr_str, &addr) == 0) {
        printf("Convert %s to in_addr failed
", addr_str);
        exit(1);
    }

    // Convert 192.168.1.100 to host byte order 0x6401a8c0
    printf("Convert %s to host byte order 0x%08x
", addr_str, addr.s_addr);

    // Convert host byte order 0x6401a8c0 to network byte order 0xc0a80164
    net_ip = htonl(addr.s_addr);
    printf("Convert host byte order 0x%08x "
        "to network byte order 0x%08x
", addr.s_addr, net_ip);
    addr.s_addr = net_ip;

    return 0;
}

apra/inet.c中的ARPA是什么？CSAPP中讲到了Internet的历史，1957年冷战时埋下了互联网的种子，当时苏联发射了第一颗人造地球卫星Sputnik震惊了世界（村上的小说《斯普特尼克恋人》就是指它）。作为回应，美国政府创建了Advanced Research Projects Agency，即ARPA，想要重新建立科技的领导地位。于是1969年一个全新的网络建立起来，叫做ARPANET，也就是互联网的前身。

通过inet_aton函数将字符串192.168.1.100转换成了in_addr数据结构，其s_addr整数值为0x6401a8c0。简单分析一下：
0x64=100，0x01=1，0xA8=168，0xC0=192
说明我的机器是小尾端字节序。之后再使用htonl函数将小尾端字节序的IP地址转为统一的网络字节序。下面是一道课后练习题，编写一个dd2hex.c小工具，将用户输入的IP地址字符串转成网络字节序的16进制整数。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

/**
 * Usage:
 *  unix> gcc dd2hex
 *  unix> ./dd2hex 128.2.194.242
 *  0x8002c2f2
 * 
 * @param  argc 2
 * @param  argv 128.2.194.242
 * @return      0x8002c2f2
 */
int main(int argc, char const *argv[])
{
    struct in_addr addr;
    char const *addr_str;
    uint32_t net_ip;

    // 1.Get input arg from cmd line
    if (argc < 1) {
        printf("Usage: dd2hex ip-address-string
");
        exit(1);
    }
    addr_str = argv[1];

    // 2.Convert to integer in host byte order
    if (inet_aton(addr_str, &addr) == 0) {
        printf("Convert %s to in_addr failed
", addr_str);
        exit(1);
    }

    // 3.Convert to network byte order
    net_ip = htonl(addr.s_addr);
    printf("0x%08x
", net_ip);

    return 0;
}

2.网络域名

网络上的主机使用IP地址通信，然而IP地址对于人类是“不友好”的，难于记忆，所以就有了域名Domain Name。最初域名和IP地址的映射关系是保存在文本文件HOSTS.txt中由人工维护的。随后出现了全球性的分布式数据库DNS（Domain Name System），以host entry的形式保存映射关系，Unix中的数据结构是：

/* DNS host entry structure */
struct hostent {
    char *h_name;       /* Official domain name of host */
    char **h_aliases;   /* Null-terminated array of domain names */
    int h_addrtype;     /* Host address type (AF_INET) */
    int h_length;       /* Length of an address, in bytes */
    char **h_addr_list; /* Null-terminated array of in_addr structs */
};

为什么hostent中的h_addr_list是char**而不是struct in_addr**呢？在StackOverflow上的一篇问答中一位老兄给出了解释：

• hostent是个古老的struct定义，甚至早于void*的出现。在那时，char *被当成万能指针使用。如今理应改成void **而不是char **，但为时已晚！
• 那时有很多网络协议，作者不知道哪种协议会成为主流。即使在TCP/IP称为主宰的今天，h_addr_list仍然有两种可能，包含struct in_addr *或struct in6_addr *。

网络程序可以从DNS数据库中取出任意的host entry。Unix在netdb.h头文件中提供了API：

System Call	Function
struct hostent *gethostbyname(const char *name)	Return the host entry associated with the domain name name
struct hostent *gethostbyaddr(const char *addr, int len, 0)	Return the host entry associated with the IP address addr

下面是一个获取域名对应信息的小工具，从命令行输入域名或者IP地址，从DNS服务器获取到域名、别名和IP地址的信息。有几个实现上的小细节可以学习一下：

• 确定输入是域名还是IP：利用inet_aton返回0还是1（转换IP地址字符串到整数是否成功）确定用户输入的到底是域名还是IP地址。
• 处理错误码：当域名或IP地址无效时，gethostbyaddr/name会返回NULL，这时错误码保存在h_errno中，可以用hstrerr取出对应的错误提示消息。
• 别名是字符串数组：entry中的h_alias是个字符串数组，因为域名可以对应好多个别名。
• IP地址是字符串数组：同样，一个域名也可能对应多个IP地址，所以就达到了DNS负载均衡的效果。课后练习题说连续运行hostinfo google.com三次，会看到域名对应的IP地址顺序发生变化。
• h_addr_list是char* ：entry->h_addr_list中的每个值都是char*，使用时被转成了struct in_addr *，具体原因参见前面的解释。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>

/**
 * Usage:
 *  $ ./hostinfo.exe www.baidu.com
 *  Official hostname: www.a.shifen.com
 *  Alias: www.baidu.com
 *  Address: 220.181.112.244
 *  Address: 220.181.111.188
 * 
 * @param  argc 2
 * @param  argv www.baidu.com or 220.181.112.244
 * @return      Official hostname/Alias/Address
 */
int main(int argc, char const *argv[])
{
    char **host;
    struct in_addr addr;
    struct hostent *entry;

    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <domain name or dotted-decimal>
", 
            argv[0]);
        exit(1);
    }

    // Retrieve host entry by "domain name"/"IP address string" from DNS
    if (inet_aton(argv[1], &addr))
        entry = gethostbyaddr((char *)&addr, sizeof(addr), AF_INET);
    else
        entry = gethostbyname(argv[1]);

    if (entry == NULL) {
        fprintf(stderr, "Error: %s
", hstrerror(h_errno));
        exit(1);
    }

    printf("Official hostname: %s
", entry->h_name);

    for (host = entry->h_aliases; *host; host++)
        printf("Alias: %s
", *host);

    for (host = entry->h_addr_list; *host; host++) {
        addr.s_addr = ((struct in_addr *) *host)->s_addr;
        printf("Address: %s
", inet_ntoa(addr));
    }

    return 0;
}

3.Socket接口

3.1 Socket地址

客户端和服务器通过一条全双工、可靠的连接（full-duplex reliable connection）发送和接收数据流。连接的两端是两个Socket组成的二元组，Socket地址是由IP地址:端口号组成。其中客户端的端口号是由操作系统内核自动分配的临时端口（ephemeral port），而服务器端则是个永久的端口号（well-known port）。

下面来看一下Socket的数据结构，在socket.h中包含了sockaddr，netinet/in.h中包含了sockaddr_in的定义：

/* Generic socket address structure (for connect, bind, and accept) */
struct sockaddr {
    unsigned short sa_family;   /* Protocol family */
    char sa_data[14];           /* Address data. */
};

/* Internet-style socket address structure */
struct sockaddr_in {
    unsigned short sin_family;  /* Address family (always AF_INET) */
    unsigned short sin_port;    /* Port number in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;    /* IP address in network byte order */
    unsigned char sin_zero[8];  /* Pad to sizeof(struct sockaddr) */
};

那时的C语言没有void *类型，为了适应不同的网络地址类型，Socket的connect、bind、accept等各种函数都用sockaddr作为参数，应用代码需要将特定协议的struct指针转为通用的sockaddr指针。从上面的struct定义也能看出，sockaddr_in结构的末尾添加了8个字节的padding来匹配sockaddr的长度。

3.2 API纵览

Socket接口是一组与Unix I/O接口配合建立起网络应用的函数集，它在客户端与不同协议实现之间建立起一个抽象层。下面这张图很重要，会作为学习Unix/Linux Socket编程的路线图：

3.3 客户端连接

bind，listen，accept函数都是服务端要使用的，客户端的步骤很简单，主要关注socket和connect两个函数。下面来看一下客户端的代码，主要由以下三步组成：

1. 创建sockaddr_in：根据IP地址in_addr和端口号组成。
2. 调用socket()：创建套接字，用Unix的描述符表示。
3. 调用connect()：用前两步得到的sockaddr和socket描述符开启连接。

/**
 * Open connection by socket in client-side
 * @param  hostname host name or IP address
 * @param  port     port
 * @return          descriptor
 */
int open_clientfd(char *hostname, int port)
{
    struct hostent *host;
    struct sockaddr_in sockaddr;
    int clientfd;

    // 1.Comine IP address and port as socket address
    memset(&sockaddr, 0, sizeof(sockaddr));
    sockaddr.sin_family = AF_INET;
    sockaddr.sin_port = htons(port);

    // 2.Parse IP address from hostname
    if (inet_aton(hostname, &sockaddr.sin_addr) == 0) {
        if ((host = gethostbyname(hostname)) == NULL) {
            fprintf(stderr, "Error: %s
", hstrerror(h_errno));
            return -1;
        }
        memcpy(&sockaddr.sin_addr.s_addr, host->h_addr_list[0], host->h_length);
    }

    // 3.Create socket
    if ((clientfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Error: %s
", strerror(errno));
        return -2;
    }

    // 4.Establish a connection to server
    if (connect(clientfd, (struct sockaddr *)&sockaddr, sizeof(sockaddr)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Error: %s
", strerror(errno));
        return -3;
    }

    return clientfd;
}

提一下几个实现上的小细节：

• 内存初始化和拷贝：可以用bzero/bcopy或memset/memcpy。这是两套API，前者是POSIX标准的，后者是C语言标准的。后者包含在memory.h或string.h中。
• 错误码处理：Socket函数的错误都是放在标准错误码errno中，使用strerror取出错误提示消息，用法与gethostbyname的h_errno和hstrerror完全一样。

3.4 服务端监听

服务端的代码稍微复杂一点点，主要分为四步：

1. 创建sockaddr_in：使用INADDR_ANY告诉内核此服务器程序能够接受来自任何IP地址的请求。
2. 调用socket()：创建套接字，用Unix的描述符表示。
3. 调用bind()：将前两步得到的sockaddr和socket描述符绑定到一起。
4. 调用listen()：开始监听请求。

/**
 * Listen on socket for incoming request in server-side.
 * @param  port     listen port
 * @return          descriptor
 */
int open_serverfd(int port)
{
    int listenfd, optval = 1;
    struct sockaddr_in sockaddr;

    // 1.Create socket address
    memset(&sockaddr, 0, sizeof(sockaddr));
    sockaddr.sin_family = AF_INET;
    sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    sockaddr.sin_port = htons(port);

    // 2.Create socket of specific protocal
    if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Error: %s
", strerror(errno));
        return -1;
    }

    // 3.Eliminates "Address already in use" error from bind
    if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 
                    &optval, sizeof(int)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Error: %s
", strerror(errno));
        return -2;
    }

    // 3.Bind socket and address
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&sockaddr, sizeof(sockaddr)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Error: %s
", strerror(errno));
        return -3;
    }

    // 4.Start to listen for connection requests with backlog queue 10
    if (listen(listenfd, 10) < 0) {
        fprintf(stderr, "Error: %s
", strerror(errno));
        return -4;
    }

    return listenfd;
}

3.5 数据通信

有了上面两个工具函数，接下来就能写出完整的客户端和服务器通信代码了。测试方法是先./socket server 7777运行服务端，再./socket client “localhost” 7777 “helloworld”运行客户端。服务端的核心在于启动监听后循环accept()客户请求：

// printf, fprintf...
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// memset in string/memory.h
#include <string.h>
// strerror 
#include <errno.h>
// in_addr/hostent/sockaddr, htons, gethost
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
// sockaddr_in, connect/bind/accept
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
// close, write, read
#include <unistd.h>

// constants
#define MAXLINE 100
#define FAILURE 1

// prototypes
int open_clientfd(char *hostname, int port);
int open_serverfd(int port);

int main(int argc, char const *argv[])
{
    /*
     * 1.Check arguments:
     *      prog server <port> <msg>
     *      prog client <hostname> <port> <msg>
     */
    if (argc <= 2 ||
            ((argc == 3) && strcmp(argv[1], "server")) ||
            (argc == 4) ||
            ((argc == 5) && strcmp(argv[1], "client")) ||
             argc >= 6) {
        fprintf(stderr, "Usage: server <port> or "
                            " client <host> <port> <msg>
");
        exit(FAILURE);
    }

    if (!strcmp(argv[1], "client")) {
        char *hostname;
        int port;
        int clientfd;
        char *msg;

        hostname = argv[2];
        port = atoi(argv[3]);
        msg = argv[4];

        // 2.Connect to remote server
        if ((clientfd = open_clientfd(hostname, port)) < 0)
            exit(FAILURE);

        // 3.Send messge
        if (send(clientfd, msg, strlen(msg), 0) < 0) {
            fprintf(stderr, "Error: %s
", strerror(errno));
            exit(FAILURE);
        }

        // 4.Write echo message to stdout
        char buf[MAXLINE];
        int readsize;
        if ((readsize = recv(clientfd, buf, MAXLINE, 0)) > 0)
            puts(buf);

        // 5.Close connection
        close(clientfd);
    }
    else {
        int listenfd, connfd, socklen;
        int port;
        struct sockaddr_in sockaddr;

        port = atoi(argv[2]);

        // 2.Listen for incoming request
        if ((listenfd = open_serverfd(port)) < 0)
            exit(FAILURE);

        while (1) {
            // 3.Accept a new request
            if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&sockaddr, &socklen)) < 0) {
                fprintf(stderr, "Error: %s
", strerror(errno));
                exit(FAILURE);
            }

            printf("New client from %s
", inet_ntoa(sockaddr.sin_addr));

            // 4.Echo back what client just sent
            char buf[MAXLINE];
            int readsize;
            while ((readsize = recv(connfd, buf, MAXLINE, 0)) > 0)
                write(connfd, buf, strlen(buf));
            memset(buf, 0, strlen(buf));

            // 5.Close connection
            close(connfd);
        }
        close(listenfd);
    }

    return 0;
}

为什么要有listenfd和connfd两个Socket描述符？有什么区别？
listenfd只会创建一次，与服务器生命周期相同；而connfd则是每个客户端与服务器建立起连接时都会创建。直觉上感觉这样做有点复杂，不够简洁，但这样区分开来的好处是：可以轻松构建起能同时处理很多客户端连接的并发服务器。例如，每次accept()后都fork()一个新进程处理。