這是關於如何用各種可以得到的接口為Linux開發網絡程序的系列文章的第一篇。就像大多數Unix-based的操作系統一樣，Linux支持將TCP/IP作為本地的網絡傳輸協議。在這個系列中，我們假定你已經比較熟悉Linux上的C編程和Linux的一些系統知識諸如signals,forking等等。
這篇文章是關於如何用BSD套接口創建網絡程序的基礎介紹 。在下一篇中，我們會解決涉及到建立(網絡)deamon進程的問題。而且今後的文章我們還會涉及到使用遠程過程調用(RPC)，以及用CORBA/distributed objects進行開發。
一、TCP/IP的基礎介紹
TCP/IP協議族允許兩個運行在同一台電腦或者由網絡連接在一起的兩台電腦上的程序進行通訊。這個協議族是專門為了在不可靠的網絡上進行通訊設計的。TCP/IP允許兩個基本的操作模式——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),以連接為基礎的字節傳輸流。TCP將你的信息分割成數據報(不大於64kb)並保證所有的數據報無誤的按照順序都到達目的地。由於以連接為基礎，所以一個虛擬連接必須在一個網絡實體(network entity)和另一個之間進行通信前建立。UDP相反則提供一個(非常快的)無連接的不可靠消息傳輸(消息的大小是一個確定的最大長度)。
為了使程序間可以相互通信，不論他們是在同一個機器(通過loopback接口)還是不同主機，每一個程序都必須有獨立的地址。
TCP/IP地址由兩部分組成——用來辨別機器的IP地址和用來辨別在那台機器上的特定程序的端口地址。
地址可以是點分(dotted-quad)符號形式的(如，127.0.0.1)或者是主機名形式的(如，www.csdn.net)。系統可以使用/etc/hosts或DNS域名服務(如果可以獲得的話)進行主機名到點分符號地址(也就是IP地址)的轉換。
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使用(也就是說，你必須以root的身份建立一個網絡服務來綁定這部分的端口)。
最簡單的網絡程序大都用的客戶-服務器模型。一個服務進程等待一個客戶進程連接他。當連接建立時，服務器代表客戶執行特定的任務，通常這這以後連接就中斷了。
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，網絡端點(network endpoints)(IP地址和端口地址)以套接口(sockets)的形式出現。
這套套接口IPC(interprocess communication，進程間通訊)設施(從4.2BSD開始引入)的設計是為了能讓網絡程序的設計能夠獨立於不同的底層通信設施。
1、建立一個服務器程序
要使用BSD界面建立一個服務器程序，你必須通過以下步驟：
（1）通過函數socket()建立一個套接口
（2）通過函數bind()綁定一個地址(IP地址和端口地址)。這一步確定了服務器的位置，使客戶端知道如何訪問。
（3）通過函數listem()監聽(listen)端口的新的連接請求。
（4）通過函數accept()接受新的連接。
通常，維護代表了客戶的請求可能需要花費相當長的一段時間。在處理一個請求時，接收和處理新的請求也應該是高效的。達到這種目的的最通常的做法是讓服務器通過fork()函數拷貝一份自己的進程來接受新的連接。
以下的例子顯示了服務器是如何用C實現的：
/*
* Simple "Hello, World!" server
* Ivan Griffin ([email protected])
*/
/* 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;
/*
*程序需要一個命令行參數：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()系統調用，帶有三個參數：
* 1、參數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protocol指定需要使用的協議。雖然可以對同一個協議
* 家族(protocol family)(或者說通信域(domain))指定不同的協議
* 參數，但是通常只有一個。對於TCP參數可指定為IPPROTO_TCP,對於
* UDP可以用IPPROTO_UDP。你不必顯式制定這個參數，使用0則根據前
* 兩個參數使用默認的協議。
*/
serverSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM,
IPPROTO_TCP);
if (-1 == serverSocket)
{
perror("socket()");
exit(1);
}
/*
* 一旦套接口被建立，它的運作機制可以通過套接口選項(socket option)進行修改。
*/
/*
* SO_REUSEADDR選項的設置將套接口設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系統中，如果一個socket綁定了某個端口，該socket正常關閉或程序退出後，
* 在一段時間內該端口依然保持被綁定的狀態，其他程序(或者重新啟動 的原程序)無法綁定該端口。
*
* 下面的調用中：SOL_SOCKET代表對SOCKET層進行操作
*/
on = 1;
status = setsockopt(serverSocket, SOL_SOCKET,
SO_REUSEADDR,
(const char *) &on, sizeof(on));
if (-1 == status)
{
perror("setsockopt(...,SO_REUSEADDR,...)");
}
/* 當連接中斷時，需要延遲關閉(linger)以保證所有數據都
* 被傳輸，所以需要打開SO_LINGER這個選項
* linger的結構在/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，則延遲關閉特性就被取消。如果非零，則允許套接口延遲關閉。
* l_linger字段則指明延遲關閉的時間
*/
{
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是一組地址的數組
*長度為4(byte)代表一個IP地址的長度
*/
/*
* 為了使服務器綁定本機所有的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,主機字節序)
* to n(network byteorder,網絡字節序
* s(short類型)
*/
serverName.sin_port = htons(port);
/* 在一個地址(本例中的serverSocket)被建立後
* 它就應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);
}
/* 現在套接口就可以被用來監聽新的連接。
* BACK_LOG指定了未決連接監聽隊列(listen queue for pending connections)
* 的最大長度。當一個新的連接到達，而隊列已滿的話，客戶就會得到連接拒絕錯誤。
* (這就是dos拒絕服務攻擊的基礎)。
*/
status = listen(serverSocket, BACK_LOG);
if (-1 == status)
{
perror("listen()");
exit(1);
}
/* 從這裡開始，套接口就開始准備接受請求，並為他們服務。
* 本例子是用for循環來達到這個目的。一旦連接被接受(accpepted)，
* 服務器可以通過指針獲得客戶的地址以便進行一些諸如記錄客戶登陸之類的
* 任務。
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fprint,
* 只要你記得必要時用fflush刷新緩存
*/
close(slaveSocket);
exit(0);
default: /* parent process */
close(slaveSocket);/* 這是一個非常好的習慣
* 父進程關閉子進程的套接口描述符
* 正如上面的子進程關閉父進程的套接口描述符。
*/
}
}
return 0;
}
/*
* 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fprint,
* 只要你記得必要時用fflush刷新緩存
*/
close(slaveSocket);
exit(0);
default: /* parent process */
close(slaveSocket);/* 這是一個非常好的習慣
* 父進程關閉子進程的套接口描述符
* 正如上面的子進程關閉父進程的套接口描述符。
*/
}
}
return 0;
}