第 5 章 Linux网络编程基础API
知识要点：
- socket 地址 API
- socket 基础 API
- 网络信息 API
1、socket 地址API
主机字节序和网络字节序
CPU （32位）的累加器一次至少可以装载 4 字节，即一个整数。该 4 字节在内存中的排列顺序将影响其被累加器装载成的整数的值 => 字节序问题。
大端字节序（网络字节序）： 数据的高字节数据存储在内存的低地址处。当数据在使用不同字节序的机器间传递数据时，对于数据的解析将会出错，因此，规定在发送端总是将数据转化为大端字节序数据后再进行发送，接收端知道数据总是大端字节序，则根据自身本机采用的字节序决定是否需要转化，确定了数据收发的正确性。
小端字节序（主机字节序）： 数据的低字节数据存储在内存的低地址处。一般的 PC 都是采用小端字节序，因此又称主机字节序。
通用 socket 地址
#include <bits/socket.h>
struct sockaddr
{
//地址族变量 与协议族类型对应
sa_family_t sa_family;
//存放 socket 地址值
//不同的协议的含义和长度不同，后续针对具体协议专用的结构体
char sa_data[14];
};
常见协议族（protocol family，也称 domin）与对应地址族如下图，两者具有相同的值，可以混用。
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sa_data 成员存放的 socket 地址值 对应关系
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14 字节的 sa_data 成员无法容纳多数协议族的地址值，提出新的通用 socket 地址结构体
#include <bits/socket.h>
struct sockaddr_storage
{
sa_family_t sa_family;
unsigned long int __ss_align;
char __ss_padding[128 - sizeof(__ss_align)];
};
///提供更大空间存储地址值，且内存对齐（__ss_align作用）
专用 socket 地址
Linux 为各协议族提供专门的 socket 地址结构体，方便设置与获取 IP 地址和端口。
Unix：
#include <sys/un.h>
struct sockaddr_un
{
sa_family_t sa_family;//地址族：AF_UNIX
char sun_path[108];//文件路径名
};
IPV4：
struct in_addr
{
u_int32_t s_addr;//IPV4地址，网络字节序表示
};
struct sockaddr_in
{
sa_family_t sin_family;//地址族：AF_INET
u_int16_t sin_port;//端口号，网络字节序表示
struct in_addr sin_addr;//IPV4地址结构体
};
IPV6：
struct in6_addr
{
unsigned char sa_addr[16];//IPV6地址，网络字节序表示
};
struct sockaddr_in
{
sa_family_t sin6_family;//地址族：AF_INET6
u_int16_t sin6_port;//端口号，网络字节序表示
u_int32_t sin6_flowinfo;//流消息，设置为0
struct in6_addr sin6_addr;//IPV6地址结构体
u_int32_t sin6_scope_id;//scope ID
};
注意： 所有专用 socket 地址在使用 socket 编程接口时都需要转换成通用 socket 地址（sockaddr 类型）。
IP 地址转换
IPV4：
#include <arpa/inet.h>
//将用点分十进制字符串表示的 IPV4 地址转换成网络字节序整数表示的 IPV4 地址,
//失败返回 INADDR_NONE
in_addr_t inet_addr(const char* strptr);
//与 inet_addr 功能一致，将结果存入 inp 指向的结构体中
//失败返回 0，成功返回 1
int inet_aton(const char* cp, struct in_addr* inp);
//将网络字节序整数表示的 IPV4 地址转化为用点分十进制表示的 IPV4 地址
//内部使用静态变量存储转化结果，返回值指向该静态内存，不可重入
//失败返回 0，成功返回 1
char* inet_ntoa(struct in_addr in);
IPV4 与 IPV6 同时适用：
#include <arpa/inet.h>
//10进制点分字符串的IPV4地址或16进制IPV6地址转换成网络字节序整数的IP地址，并存入dst内存
//af：对应的协议族 AF_INET 或 AF_INET6
//失败返回 0，成功返回 1
int inet_pton(int af, const char* src, void* dst);
//与inet_pton函数相反，socklen_t 指定目标存储单元的大小见后续宏
//成功返回目标存储单元地址，失败返回NULL并设置errno
const char* inet_ntop(int af, const char* src, char* dst, socklen_t cnt);
#include <netinet/in.h>
#define INET_ADDRSTRLEN 16
#define INET6_ADDRSTRLEN 46
2、创建 socket
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
/**
domin:底层协议族 PF_INET/PF_INET6/PF_UNIX
type:服务类型 SOCK_STREAM/SOCK_DGRAM
protocol: 具体协议，唯一值，一般设为0表示使用默认协议
成功返回 socket 文件描述符，失败返回 -1 并置 errno
*/
int socket(int domin, int type, int protocol);
拓展： type值可以和 SOCK_NONBLOCK 及 SOCK_CLOEXEC 标志相与，表示新创建的 socket 为非阻塞，以及 fork 调用创建子进程时在子进程中关闭该socket
3、命名 socket
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
/**
fd: 需要命名的socket的文件描述符
myaddr: 分配的 socket 地址
addrlen: sizeof(myaddr)
成功返回0，失败返回 -1 置 errno
EACCESS: 被绑定的地址是受保护的地址，仅超级用户能够访问，如：绑定到知名服务端口(0~1023)
EADDRINUSE: 被绑定的地址正在使用，如：处于TIME_WAIT状态的 socket 地址
*/
int bind(int fd, const struct sockaddr* myaddr, socklen_t addrlen);
4、监听 socket
socket 被命名后，需要调用系统调用来创建一个监听队列存放待处理的客户连接。
#include <sys/socket.h>
/**
sockfd: 被监听的 socket
backlog: 监听队列中处于ESTABLISED状态的最大值，当超过时服务器不再受理新的客户连接，客户 端收到 ECONNREFUSED 错误信息(但实际值往往可能为backlog+1)
成功返回0，失败返回 -1 置 errno
*/
int listen(int sockfd, int backlog);
5、接受连接
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
/**
sockfd: listen系统调用的监听socket
addr: 获取接受连接的远程socket地址
addrlen: socket长度
成功返回0，失败返回 -1 置 errno
*/
int accept(int sockfd,struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);
//accept只是从监听队列中取出连接，而不论连接处于何种状态(如CLOSE_WAIT),更不关心网络状况的变化
6、发起连接
客户端主动的发起连接，服务端被动的接受连接。
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
/**
sockfd: 创建socket返回的文件描述符，通过读取该sockfd来与服务端进行通信
serv_addr: 需要连接的服务端socket地址
addrlen: socket地址长度
成功返回0，失败返回 -1 置 errno
*/
int connect(int sockfd, const struct sockaddr* serv_addr, socklen_t* addrlen);
ECONNREFUSED: 目标端口不存在，连接被拒绝
ETIMEDOUT:连接超时
7、关闭连接
#include <unistd.h>
/**
并非是立刻关闭一个连接，而是将fd的引用计数减1，当fd的引用计数为0才真正关闭连接
多进程时，一次fork默认会将父进程打开的socket的引用加1，必须在父子进程中都对该socket执行 close调用才能将连接关闭。
*/
int close(int fd);
立即终止连接！
#include <sys/socket.h>
/**
成功返回0，失败返回 -1 置 errno
*/
int shutdown(int sockfd, int howto);
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8、数据读写
TCP 数据读写
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
/**
sockfd: 从sockfd读取、往sockfd写入
buf: 读/写缓冲区
len: 缓冲区长度
flags: 额外控制的标志
*/
//成功返回实际读取到的长度，可能小于期望值len则可以多次调用读取完整
//返回0时，以为通信对方已经关闭连接
//失败返回 -1 置 errno
ssize_t recv(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
//成功返回实际写入的长度，失败返回 -1 置 errno
ssize_t send(int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags);
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send 与 recv 设置的flags是一次性的，可以通过 setsockopt 系统调用永久性的修改 socket 某些属性。
UDP 数据读写
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
/**
UDP协议不是面向连接的，
接收时都要记录发送方的地址和端口
发送时需要指明发送给哪个地址和端口
返回值与send/recv一致，TCP使用该接口时可以把最后两个参数置为 NULL
*/
ssize_t recvfrom(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags, struct sockaddr_in* src_addr, socklen_t* addrlen);
ssize_t sendto(int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags, struct sockaddr_in* dest_addr, socklen_t* addrlen);
通用数据读写函数
socket 编程接口提供即支持 TCP 又支持 UDP 的读写系统调用。
#include <sys/socket.h>
struct iovec
{
void* iov_base;//内存起始地址
size_t iov_len;//内存的长度
};
struct msghdr
{
//socket地址，指向 socket 地址结构变量，指定通信对方socket地址，对于TCP无用置为NULL
void* msg_name;
//socket地址的长度
socklen_t msg_namelen;
//分散的内存块
struct iovec* msg_iov;
//分散内存块的数量
int msg_iovlen;
//指向辅助数据的起始位置
void* msg_control;
//辅助数据的大小
socklen_t msg_controllen;
//复制函数中flags参数，在调用过程中更新
int msg_flags;
};
//返回值与send/recv一致
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr* msg, int flags);
ssize_t sendmsg(int sockfd, struct msghdr* msg, int flags);
分散读： 对于recvmsg读取的数据将存放在msg_iovlen块分散的内存中，内存的地址及长度由msg_iov指向的数组决定
集中写： 对于sendmsg而言，msg_iovlen块分散内存中的数据将一并发送
9、带外数据
Linux 内核检测到 TCP 紧急标志时，将会通过 IO 复用产生的异常事件和 SIGURG 信号 来通知应用程序有带外数据需要接收。
#include <sys/socket.h>
/**
判断 sockfd 下一个被读取到的数据是否是带外数据
是：返回 1 ，否：返回0
*/
int sockatmark(int sockfd);
10、获取地址信息函数
#include <sys/socket.h>
/**
获取本端连接的socket地址信息存入address,长度存入address_len
若实际socket地址长度比address所指向的内存区大，则地址将被截断
成功返回0，失败返回 -1 置 errno
*/
int getsockname(int sockfd, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);
/**
获取通信连接另一端的socket地址
参数和返回值含义与getsockname同
*/
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);
11、socket 选项
fcntl 系统调用专门用来控制文件描述符属性，socket 编程接口也提供了设置 socket 文件描述符属性的方法：
#include <sys/socket.h>
int getsockopt(int sockfd,//指定被操作的 目标socket
int level,//指定操作哪个协议的属性
int option_name,//选项的名字
void* option_value,//被操作选项的值
socklen_t* restrict option_len//被操作选项的长度
);
int setsockopt(int sockfd, int level, int option_name, const
void* option_value, socklen_t* option_len);
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注意： 对于服务端而言， listen 之后，accept 从监听队列中返回的连接至少完成了 TCP 三次握手的前两阶段即进入 SYN_RECVD 状态，通信双方的同步报文段都已经发送给对方，而有些属性如：TCP最大报文段，则只能由同步报文段来发送，所以需要在 listen 之前设置属性；对于客户端则需要在 connect 之前设置属性。
对 listen 之前设置的属性，accept 返回的连接将自动继承：SO_DEBUG、SO_DONTROUTE、SO_ KEEPALIVE、SO_ LINGER、 SO_ OOBINLINE、SO RCVBUF、SO_RCVLOWAT、SO SNDBUF、SO SNDLOWAT、TCP_ MAXSEG 和 TCP_ NODELAY
11、网络信息 API
gethostbyname 和 gethostbyaddr
gethostbyname 通过主机名称获取主机的完整信息，函数通常先在本地的 /etc/hosts 配置文件中查找主机，如果没有找到再去访问 DNS 服务器。
gethostbyaddr 通过地址名获取主机的完整信息。
#include <netdb.h>
struct hostent
{
char* h_name;//主机名
char** h_aliases;//主机别名列表
int h_addrtype;//地址族类型
int h_length;//地址长度
char** h_addr_list;//网络字节序列出的主机IP地址列表
};
/**
name: 目标主机名称
*/
struct hostent* gethostbyname(const char* name);
/**
name: 目标主机IP地址
len: 指定IP地址的长度
type: AF_INET/AF_INET6
*/
struct hostent* gethostbyaddr(const void* addr, size_t len, int type);
getservbyname 和 getservbyport
通过服务名称获取某个服务的完整信息 及 通过端口获取某个服务的完整信息。
都是通过读取 /etc/services 文件获取服务的信息。
#include <netdb.h>
struct servent
{
char* s_name;//服务的名称
char** s_aliases;//服务的别名列表
int s_port;//服务的端口号
char* s_proto;//服务类型，tcp或udp
};
/**
name: 目标服务的名称
proto: 服务类型，"tcp"表示获取数据流服务，“udp”表示获取数据报服务
*/
struct servent* getservbyname (const char* name, const char* proto);
/**
name: 目标服务的端口
proto: 服务类型，"tcp"表示获取数据流服务，“udp”表示获取数据报服务
*/
struct servent* getservbyport (int port, const char* proto);
getaddrinfo
即能通过主机名获取IP地址(内部gethostbyname)，也能通过服务名获取端口号(内部getservbyname)
#include <netdb.h>
struct addrinfo
{
int ai_flags;//取表5-6中标志的按位或
int ai_family;//地址族
int ai_socktype;//服务类型，SOCK_STREAM/SOCK_DGRAM
int ai_protocol;//指具体协议，与socket系统调用一致，一般设为0
socklen_t ai_addrlen;//ai_addr的长度
char* ai_canonname;//主机的别名
struct sockaddr* ai_addr;//指向socket地址
struct addrinfo* ai_next;//指向下一个sockinfo结构的对象
};
int getaddrinfo(
//即可接收主机名又可字符串表示的IP地址(IPV4: 点分十进制，IPV6: 十六进制)
const char* hostname,
//即可接收服务名也可接收字符串表示的十进制端口号
const char* service,
//精确控制输出，NULL表示反馈任何可用的结果；
//使用时可以设置ai_flags、ai_family、ai_socktype、ai_protocol四个字段，其余必须置为NULL
const struct addrinfo* hints,
//指向一个反馈结果的链表
struct addrinfo** result);
//getaddrinfo 将隐式的分配堆内存(result),需要配对的函数释放内存
void freeaddrinfo(struct addrinfo* res);
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5mGbK3V0-1623659442724)(./Pic/table-5-6.png)]
getnameinfo
通过socket地址同时获取字符串表示的主机名(内部gethostbyaddr)和服务名(内部getservbyport)
#include <netdb.h>
int getnameinfo(const struct sockaddr* sockaddr,//传入的socket地址
socklen_t addrlen,//地址长度
char* host,//返回的主机名
socklen_t hostlen,//长度
char* serv, //返回的服务名
socklen_t servlen,//长度
int flags//精确控制行为
);
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-sRwmFVha-1623659442725)(./Pic/table-5-7.png)]
**getaddrinfo 和 getnameinfo 函数成功返回 0，失败返回错误码 **
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-A9R9lrWV-1623659442727)(./Pic/table-5-8.png)]
#include <netdb.h>
//将数值错误码转换成易读字符串
const char* gai_strerror(int error);
| 名称 |
作用 |
特点 |
| gethostbyname |
通过主机名称获取主机的完整信息 |
不可重入(xxx_r版本可以) |
| gethostbyaddr |
通过地址名称获取主机的完整信息 |
不可重入(xxx_r版本可以) |
| getservbyname |
通过服务名称获取某个服务的完整信息 |
不可重入(xxx_r版本可以) |
| getservbyport |
通过端口获取某个服务的完整信息 |
不可重入(xxx_r版本可以) |
| getaddrinfo |
即能通过主机名获取IP地址(内部gethostbyname)，也能通过服务名获取端口号(内部getservbyname) |
是否可重入取决于调用的内部函数是否可重入 |
| getnameinfo |
通过socket地址同时获取字符串表示的主机名(内部gethostbyaddr)和服务名(内部getservbyport) |
是否可重入取决于调用的内部函数是否可重入 |
