Linux操作系統(tǒng)中BSD套接口開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)介紹

　　這是關(guān)于如何用各種可以得到的接口為Linux開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序的系列文章的第一篇。就像大多數(shù)Unix-based的操作系統(tǒng)一樣，Linux支持將TCP/IP作為本地的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。在這個(gè)系列中，我們假定你已經(jīng)比較熟悉Linux上的C編程和Linux的一些系統(tǒng)知識(shí)諸如signals,forking等等。

　　這篇文章是關(guān)于如何用BSD套接口創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)程序的基礎(chǔ)介紹 。在下一篇中，我們會(huì)解決涉及到建立(網(wǎng)絡(luò))deamon進(jìn)程的問(wèn)題。而且今后的文章我們還會(huì)涉及到使用遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用(RPC)，以及用CORBA/distributed objects進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　一、TCP/IP的基礎(chǔ)介紹

　　TCP/IP協(xié)議族允許兩個(gè)運(yùn)行在同一臺(tái)電腦或者由網(wǎng)絡(luò)連接在一起的兩臺(tái)電腦上的程序進(jìn)行通訊。這個(gè)協(xié)議族是專(zhuān)門(mén)為了在不可靠的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通訊設(shè)計(jì)的。TCP/IP允許兩個(gè)基本的操作模式——面向連接的可靠的傳輸(指TCP)和無(wú)連接的(connectionless)不可靠的傳輸(UDP)。

　　TCP提供帶有對(duì)上層協(xié)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(chǔ)的字節(jié)傳輸流。TCP將你的信息分割成數(shù)據(jù)報(bào)(不大于64kb)并保證所有的數(shù)據(jù)報(bào)無(wú)誤的按照順序都到達(dá)目的地。由于以連接為基礎(chǔ)，所以一個(gè)虛擬連接必須在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體(network entity)和另一個(gè)之間進(jìn)行通信前建立。UDP相反則提供一個(gè)(非常快的)無(wú)連接的不可靠消息傳輸(消息的大小是一個(gè)確定的最大長(zhǎng)度)。

　　為了使程序間可以相互通信，不論他們是在同一個(gè)機(jī)器(通過(guò)loopback接口)還是不同主機(jī)，每一個(gè)程序都必須有獨(dú)立的地址。

　　TCP/IP地址由兩部分組成——用來(lái)辨別機(jī)器的IP地址和用來(lái)辨別在那臺(tái)機(jī)器上的特定程序的端口地址。

　　地址可以是點(diǎn)分(dotted-quad)符號(hào)形式的(如，127.0.0.1)或者是主機(jī)名形式的(如，www.csdn.net)。系統(tǒng)可以使用/etc/hosts或DNS域名服務(wù)(如果可以獲得的話)進(jìn)行主機(jī)名到點(diǎn)分符號(hào)地址(也就是IP地址)的轉(zhuǎn)換。

　　端口從1號(hào)開(kāi)始編號(hào)。1和IPP0RT_RESERVED(在/usr/include/netinet/in.h中定義，通常為1024)之間的段口號(hào)保留給系統(tǒng)使用(也就是說(shuō)，你必須以root的身份建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)綁定這部分的端口)。

　　最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)程序大都用的客戶(hù)-服務(wù)器模型。一個(gè)服務(wù)進(jìn)程等待一個(gè)客戶(hù)進(jìn)程連接他。當(dāng)連接建立時(shí)，服務(wù)器代表客戶(hù)執(zhí)行特定的任務(wù)，通常這這以后連接就中斷了。

　　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(guò)它，網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)(network endpoints)(IP地址和端口地址)以套接口(sockets)的形式出現(xiàn)。

　　這套套接口IPC(interprocess communication，進(jìn)程間通訊)設(shè)施(從4.2BSD開(kāi)始引入)的設(shè)計(jì)是為了能讓網(wǎng)絡(luò)程序的設(shè)計(jì)能夠獨(dú)立于不同的底層通信設(shè)施。

　　1、建立一個(gè)服務(wù)器程序

　　要使用BSD界面建立一個(gè)服務(wù)器程序，你必須通過(guò)以下步驟：

　　（1）通過(guò)函數(shù)socket()建立一個(gè)套接口
　　（2）通過(guò)函數(shù)bind()綁定一個(gè)地址(IP地址和端口地址)。這一步確定了服務(wù)器的位置，使客戶(hù)端知道如何訪問(wèn)。
　　（3）通過(guò)函數(shù)listem()監(jiān)聽(tīng)(listen)端口的新的連接請(qǐng)求。
　　（4）通過(guò)函數(shù)accept()接受新的連接。

　　通常，維護(hù)代表了客戶(hù)的請(qǐng)求可能需要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。在處理一個(gè)請(qǐng)求時(shí)，接收和處理新的請(qǐng)求也應(yīng)該是高效的。達(dá)到這種目的的最通常的做法是讓服務(wù)器通過(guò)fork()函數(shù)拷貝一份自己的進(jìn)程來(lái)接受新的連接。

　　以下的例子顯示了服務(wù)器是如何用C實(shí)現(xiàn)的：

/*
* Simple Hello, World! server
* Ivan Griffin (ivan.griffin@ul.ie)
*/

/* 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(gè)命令行參數(shù)：需要綁定的端口號(hào)
*/
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(tǒng)調(diào)用，帶有三個(gè)參數(shù)：
*　　　　1、參數(shù)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(lèi)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(shù)protocol指定需要使用的協(xié)議。雖然可以對(duì)同一個(gè)協(xié)議
*　　　　　 家族(protocol family)(或者說(shuō)通信域(domain))指定不同的協(xié)議
*　　　　　 參數(shù)，但是通常只有一個(gè)。對(duì)于TCP參數(shù)可指定為IPPROTO_TCP,對(duì)于
*　　　　　 UDP可以用IPPROTO_UDP。你不必顯式制定這個(gè)參數(shù)，使用0則根據(jù)前
*　　　　　 兩個(gè)參數(shù)使用默認(rèn)的協(xié)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(yùn)作機(jī)制可以通過(guò)套接口選項(xiàng)(socket option)進(jìn)行修改。　　　
　　 */

　　/*
　　 * SO_REUSEADDR選項(xiàng)的設(shè)置將套接口設(shè)置成重新使用舊的地址(IP地址加端口號(hào))而不等待
　　 * 注意：在Linux系統(tǒng)中，如果一個(gè)socket綁定了某個(gè)端口，該socket正常關(guān)閉或程序退出后，
　　 * 在一段時(shí)間內(nèi)該端口依然保持被綁定的狀態(tài)，其他程序(或者重新啟動(dòng) 的原程序)無(wú)法綁定該端口。
　　 *
　　 * 下面的調(diào)用中：SOL_SOCKET代表對(duì)SOCKET層進(jìn)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(dāng)連接中斷時(shí)，需要延遲關(guān)閉(linger)以保證所有數(shù)據(jù)都
　　 * 被傳輸，所以需要打開(kāi)SO_LINGER這個(gè)選項(xiàng)
　　 * linger的結(jié)構(gòu)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(guān)閉特性就被取消。如果非零，則允許套接口延遲關(guān)閉。
　　 *　 l_linger字段則指明延遲關(guān)閉的時(shí)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(shù)組
　　 *長(zhǎng)度為4(byte)代表一個(gè)IP地址的長(zhǎng)度
　　 */
/*
* 為了使服務(wù)器綁定本機(jī)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(jī)字節(jié)序)
　　 *　　　　 to n(network byteorder,網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序
　　 *　　　　 s(short類(lèi)型)
　　 */
　　serverName.sin_port = htons(port);
/* 在一個(gè)地址(本例中的serverSocket)被建立后
* 它就應(yīng)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(xiàn)在套接口就可以被用來(lái)監(jiān)聽(tīng)新的連接。
* BACK_LOG指定了未決連接監(jiān)聽(tīng)隊(duì)列(listen queue for pending connections)
* 的最大長(zhǎng)度。當(dāng)一個(gè)新的連接到達(dá)，而隊(duì)列已滿的話，客戶(hù)就會(huì)得到連接拒絕錯(cuò)誤。

* (這就是dos拒絕服務(wù)攻擊的基礎(chǔ))。
*/
　　status = listen(serverSocket, BACK_LOG);
　　if (-1 == status)
　　{
　　　　perror(listen());
　　　　exit(1);
　　}
/* 從這里開(kāi)始，套接口就開(kāi)始準(zhǔn)備接受請(qǐng)求，并為他們服務(wù)。
* 本例子是用for循環(huán)來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。一旦連接被接受(accpepted)，
* 服務(wù)器可以通過(guò)指針獲得客戶(hù)的地址以便進(jìn)行一些諸如記錄客戶(hù)登陸之類(lèi)的
* 任務(wù)。
　　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 %sn,
　　　　　　　　　　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(shù)fprint,
　　　　　　　 * 只要你記得必要時(shí)用fflush刷新緩存
　　　　　　　 */
　　　　　　close(slaveSocket);
　　　　　　exit(0);

　　　　default: /* parent process */
　　　　　　close(slaveSocket);/* 這是一個(gè)非常好的習(xí)慣
　　　　　　　　　　　　　　　　* 父進(jìn)程關(guān)閉子進(jìn)程的套接口描述符
　　　　　　　　　　　　　　　　* 正如上面的子進(jìn)程關(guān)閉父進(jìn)程的套接口描述符。
　　　　　　　　　　　　　　　　*/　　　　　　　　　　　　　　
　　　　}
　　}

　　return 0;
}