Linux高性能server编程——Linux网络基础API及应用



Linux网络编程基础API

具体介绍了socket地址意义极其API，在介绍数据读写API部分引入一个有关带外数据发送和接收的程序，最后还介绍了其它一些辅助API。

socket地址API

主机字节序和网络字节序

字节序分为大端字节序和小端字节序。小端字节序又被称为主机字节序，大端字节序被称为网络字节序。大端字节序是指一个整数的高位字节存储在内存的低地址处，低位字节存储在内存的高地址处。小端字节序则相反。

Linux提供例如以下四个函数完毕主机字节序与网络字节序之间的转换：

#include<arpa/inet.h>

uint32_thtonl(uint32_t hostlong);

uint16_thtons(uint16_t hostshort);

uint32_tntohl(uint32_t netlong);

uint16_tntohs(uint16_t netshort);

它们的含义明白，比方htonl将长整型（32bit）的主机字节序转化为网络字节序。这四个函数中，长整型用来转化IP地址，短整型用来转换port号。

通用socket地址

#include <bits/socket.h>

Struct sockaddr

{

        Sa_family_tsa_family;

        charsa_data[14];

};

sa_family是地址族类型（sa_family_t）的变量。地址族通常与协议族类型相应，常见的地址族和相应的协议族例如以下表所看到的：

协议族	地址族	描写叙述
PF_UNIX	AF_UNIX	UNIX本地域协议族
PF_INET	AF_INET	TCP/IPv4协议族
PF_INET6	AF_INET6	TCP/IPv6协议族

专用socket地址

UNIX本地域协议族专用socket地址结构体：

#include <sys/un.h>

struct sockaddr_un

{

        sa_family+tsin_family;            //地址族：AF_UNIX

        charsun_path[108]         //文件路径名

};

TCP/IP协议族有sockaddr_in和sockaddr_in6两个专用socket地址结构体，他们分别用于IPv4和IPv6:

struct sockaddr_in

{

        sa_family_tsin_family;            //地址族：AF_INET

        u_int16_tsin_port;                   //端口号，要用网络字节序表示

        structin_addr sin_addr;          //IPv4地址结构体

};

Struct in_addr

{

        u_int32_ts_addr;                     //IPv4地址，要用网络字节序表示

};

Struct sockaddr_in6

{

        sa_family_tsin6_family;         //地址族：AF_INET6

        u_int16_tsin6_port;                //端口号，要用网路字节序表示

        u_int32_tsin6_flowinfo;//流信息，应设置为0

        structin6_addr;                         //IPv6地址结构体

        u_int32_tsin6_scope_id;        //scope ID,尚处实验阶段

};

Struct in6_addr

{

        Unsignedchar sa_addr[16];   //IPv6地址，要用网络字节序表示

};

全部socket地址类型的变量在实际使用时都须要转化为通用socket地址类型sockaddr(强制转换就可以)，由于全部socket编程接口使用的地址參数的类型都是sockarrd。

IP地址转换函数

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

int inet_aton(const char *cp, structin_addr *inp);        //将点分十进制转化为网络字节序

in_addr_t inet_addr(const char *cp);     //同上，但将结果放入cp所指地址

char *inet_ntoa(struct in_addr in);                  //将网络字节序转化为点分十进制

上面三个函数用于点分十进制字符串表示的IPv4地址和用网络字节序整数（二进制数）表示的IPv4地址之间的转换。

当中inet_aton内部用一个静态变量存储转化结果，所以函数不可重入，演示样例

#include <stdio.h>
#include <sys/un.h>
#include <arpa/inet.h>
int main()
{
        struct in_addr in1, in2;
        in1.s_addr = inet_addr("1.2.3.4");
        in2.s_addr = inet_addr("10.194.71.60");
        char* szValue1 = inet_ntoa(in1);
        char* szValue2 = inet_ntoa(in2);
        printf("address1:%s
",szValue1);
        printf("address2:%s
",szValue2);
        return 0;
}

运行结果：

address1:10.194.71.60

address2:10.194.71.60

 

以下这对函数也能完毕上面3个函数的功能

#include <arpa/inet.h>

int inet_pton(int af, const char *src, void*dst);

const char *inet_ntop(int af, const void*src, char *dst, socklen_t size);

 

socket相关函数

#include <sys/types.h>         /* See NOTES */

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, intprotocol);         //创建socket，指定协议族和服务类型

int bind(int sockfd, const struct sockaddr*addr, socklen_t addrlen);   //绑定地址

int listen(int sockfd, int backlog);   //server创建监听队列以存放处理的客户连接

int accept(int sockfd, struct sockaddr*addr, socklen_t *addrlen);/从监听队列接收一个连接

int connect(int sockfd, const structsockaddr *addr, socklen_t addrlen);//客户与server建立连接

 

 

#include <unistd.h>

int close(int fd);       //关闭连接

 

#include <sys/socket.h>

int shutdown(int sockfd, int how);          //关闭连接

数据读写

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_tlen, int flags);

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf,size_t len, int flags,

struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

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

 

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

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf,size_t len, int flags,

                     const struct sockaddr*dest_addr, socklen_t addrlen);

ssize_t sendmsg(int sockfd, const structmsghdr *msg, int flags);

 

演示样例：

带外数据的发送和接收：关于带外数据见http://blog.csdn.net/walkerkalr/article/details/35258523

发送带外数据：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 2 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number
", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    struct sockaddr_in server_address;
    bzero( &server_address, sizeof( server_address ) );
    server_address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &server_address.sin_addr );
    server_address.sin_port = htons( port );

    int sockfd = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
    assert( sockfd >= 0 );
    if ( connect( sockfd, ( struct sockaddr* )&server_address, sizeof( server_address ) ) < 0 )
    {
        printf( "connection failed
" );
    }
    else
    {
        printf( "send oob data out
" );
        const char* oob_data = "abc";
        const char* normal_data = "123";
        send( sockfd, normal_data, strlen( normal_data ), 0 );
        send( sockfd, oob_data, strlen( oob_data ), MSG_OOB );
        send( sockfd, normal_data, strlen( normal_data ), 0 );
    }

    close( sockfd );

 

接收带外数据

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define BUF_SIZE 1024

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 2 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number
", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    struct sockaddr_in address;
    bzero( &address, sizeof( address ) );
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
    address.sin_port = htons( port );

    int sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
    assert( sock >= 0 );

    int ret = bind( sock, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
    assert( ret != -1 );

    ret = listen( sock, 5 );
    assert( ret != -1 );

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof( client );
    int connfd = accept( sock, ( struct sockaddr* )&client, &client_addrlength );
    if ( connfd < 0 )
    {
        printf( "errno is: %d
", errno );
    }
    else
    {
        char buffer[ BUF_SIZE ];

        memset( buffer, '', BUF_SIZE );
        ret = recv( connfd, buffer, BUF_SIZE-1, 0 );
        printf( "got %d bytes of normal data '%s'
", ret, buffer );

        memset( buffer, '', BUF_SIZE );
        ret = recv( connfd, buffer, BUF_SIZE-1, MSG_OOB );
        printf( "got %d bytes of oob data '%s'
", ret, buffer );

        memset( buffer, '', BUF_SIZE );
        ret = recv( connfd, buffer, BUF_SIZE-1, 0 );
        printf( "got %d bytes of normal data '%s'
", ret, buffer );

        close( connfd );
    }

    close( sock );
    return 0;
}

同一时候在chen123上启动发送带外数据程序，在li123上启动接收带外数据程序，同一时候用tcpdump抓取这一过程中client和server交换的TCP报文。

详细操作例如以下：

li123@ubuntu:/$ sudo tcpdump -ntx -i eth0 port 54321

li123@ubuntu:/$./a.out 192.168.73.130 54321

chen123@ubuntu:/$ ./a.out 192.168.73.130 54321

server输出例如以下：

got 5 bytes of normal data '123ab'

got 1 bytes of oob data 'c'

got 3 bytes of normal data '123'

client发给server的3字节的带外数据”abc”中，仅有最后一个字符’c’被server当成真正的带外数据。而且，server对正常数据的接收将被带外数据截断，即前一部分正常数据”123ab”和兴许正常数据”123”是不能被一个recv调用所有读出的。

   Tcpdump的输出内容中，和带外数据相关的输出例如以下：

IP 192.168.73.129.40643 > 192.168.73.130.54321:Flags [P.U], seq 4:7, ack 1, win 229, urg 3, options [nop,nop,TS val 4574025ecr 4573780], length 3

   能够看到tcpdump输出标志U，这表示TCP报文段的头部被设置了紧急标志。urg 3是紧急偏移，塔指针带外数据在字节流中的位置的下一字节位置是7（3+4，当中4是报文段的序号值相对于初试序号值得偏移）。

 

其它基础API

#include <sys/socket.h>

int sockatmark(int sockfd);     //推断是否处于带外标记

int getsockname(int sockfd, struct sockaddr*addr, socklen_t *addrlen);    //获取本端sockfd相应的本端socket地址

int getpeername(int sockfd, struct sockaddr*addr, socklen_t *addrlen);    //获取sockfd相应的远端socket地址

 

以下两个函数用来读取和设置socket文件描写叙述符属性的方法

int getsockopt(int sockfd, int level, intoptname, void *optval, socklen_t *optlen);      

int setsockopt(int sockfd, int level, intoptname, const void *optval, socklen_t optlen);

 

以下两个函数用来依据主机名称获取主机的完整信息和依据IP地址获取主机的完整信息

#include <netdb.h>

struct hostent *gethostbyname(const char*name);

#include <sys/socket.h>      /* for AF_INET */

struct hostent *gethostbyaddr(const void*addr, socklen_t len, int type);

 

以下两个函数依据名称获取某个服务的完整信息和依据port获取某个服务的完整信息

#include <netdb.h>

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

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

 

以下这个函数能通过主机名获得IP地址，也能通过server获得port号。

#include <netdb.h>

int getaddrinfo(const char *node, constchar *service, const struct addrinfo *hints,

struct addrinfo **res);

 

以下这个函数能通过socket地址同一时候获得以字符串标书的主机名和服务名。

#include <netdb.h>

int getnameinfo(const struct sockaddr *sa,socklen_t salen, char *host, size_t hostlen,

                      char *serv, size_tservlen, int flags);