这一讲通过一个简单的时间获取程序简单介绍套接字编程。

1、套接字API

1.1、套接字地址结构

上一讲中介绍了TCP的一些内容，知道了一个套接字对唯一标识了网络中的一个TCP连接，而一个套接字标识了一个TCP连接中的一端。套接字中包含本地IP地址和本地端口，由于现在的IP地址有IPv4和IPv6，因此套接字地址结构也就有两种。

1.1.1、IPv4套接字地址结构

IPv4套接字地址结构也叫“网际套接字地址结构”，包含在<netinet/in.h>头文件中，下面是它的定义：

<pre name="code" class="cpp">struct sockaddr_in {uint_8         sin_len;//地址长度sa_family_t    sin_family;//协议族：在这里是AF_INETin_port_in     sin_port;//16位端口号：网络字节序struct in_addrsin_addr;//32位IP地址结构：网络字节序char           sin_zero[8];//未使用
};
struct in_addr {in_addr_t      s_addr;//32位IP地址：网络字节序
};

可以知道，IPv4套接字地址结构的大小是16字节。注意：套接字地址结构只在主机上使用，虽然一些字段（比如IP地址和端口号）可以在不同主机间传递，但结构本身并不传递。

1.1.2、通用的套接字地址结构

当套接字作为参数传递进套接字函数时，套接字是作为引用的形式来传递的。下面是一个通用套接字地址结构，定义在<sys/socket.h>头文件中：

struct sockaddr {uint8_t     sa_len;//地址长度sa_family_t sa_family;//协议族char        sa_data;//数据：包括IP地址和端口号
};

这个结构的唯一作用就是对指向特定于协议的套接字地址结构的指针执行类型强制转换。

1.1.3、IPv6套接字地址结构

IPv4套接字地址结构也定义在<netinet/in.h>头文件中。

struct in6_addr {uint8_t          s6_addr[16];//128位IPv6地址：网络字节序
};#define SIN6_LENstruct sockaddr_in6 {uint8_t          sin6_len;//地址长度sa_family_t      sin6_family;//协议族：在这里是AF_INET6in_port_t        sin6_port;//端口号：网络字节序uint32_t         sin6_flowinfo;//未定义structin6_addr  sin6_addr;//IPv6地址结构uint32_t         sin6_scope_id;//地址范围
};

1.1.4、新的通用套接字地址结构

当需要用一个地址结构应用两种不同的IP地址时，这个新的通用套接字地址结构克服了sockaddr的缺点。定义在<netinet/in.h>头文件中：

struct sockaddr_storage {uint8_t     ss_len;//地址长度sa_family_tss_family;//协议族
};

sockaddr_storage能够满足任何对齐要求；

sockaddr_storage足够大，能容纳任何一种套接字地址结构；

除了ss_len和ss_family外，其它数据对用户透明。

1.2、值-结果参数

C 语言中，函数的返回值只能有一个，不过可以通过传递引用参数来达到返回多个结果的效果。C++中也有按引用传递参数，引用其实就是指针，由于实参与形参指向同一块地址，因此在函数中对形参的修改也会反映到实参中，这样就达到了返回通过引用返回结果的效果。值-结果参数也是这样。在网络编程中，套接字地址结构通常是值-结果参数。

当向套接字函数传递套接字地址结构时，总是以引用的形式来传递，作为参数，套接字地址结构中的地址长度告诉内核需要从进程中复制多少数据，避免了越界访问。如下图：

当函数返回时，内核将地址的真实大小放入长度中，因此长度又作为结果从内核中返回到进程中，告诉了进程这个结构究竟存储了多少数据。这种类型的参数叫做值-结果参数。如下图：

1.3、网络字节序与主机字节序

对于多字节数据，在内存中的存数方式有两种：小端字节序和大端字节序。

小端字节序：将低序字节存在起始地址；

大端字节序：将高序字节存在其实地址；

下图展示了两种格式：

举例来说：对于数字1，小端字节序为:

A+3 A+2 A+1 A

即，0x0001

而大端字节序为：

A+3 A+2 A+1 A

如果不转换的话，那么这个数就是0x1000

网络字节序使用大端字节序。所以需要在主机字节序和网络字节序间转换。下面是转换函数，定义在<netinet/in.h>头文件中：

uint16_t htons(uint16_t host16bitvalue);
uint32_t htonl(uint32_t host32bitvalue);
uint16_t ntohs(uint16_t net16bitvalue);
uint32_t ntohl(uint32_t net32bitvalue);

前两个函数将主机字节序转换成网络字节序；后两个函数将网络字节序转换成主机字节序。

1.4、地址转换函数

下面的函数都在<arpa/inet.h>头文件中。
（1）inet_aton函数

函数将点分十进制地址转换成IPv4地址。定义如下：

int inet_aton(const char *strptr,struct in_addr*addrptr);

如果字符串有效就返回1，无效返回0.地址存在addrptr中，以网络字节序存储。

（2）inet_addr函数

函数将点分十进制地址转换成IPv4地址。定义如下：

in_addr_t inet_addr(const char *strptr);

如果有效返回IPv4地址，否则返回INADDR_NONE。函数已经被废弃。

（3）inet_ntoa函数

函数将IPv4地址转换成点分十进制地址字符串。定义如下：

cahr *inet_ntoa(struct in_addr inaddr);

参数的地址是网络字节序。

以下两个函数对IPv4和IPv6地址都适用。

（4）inet_pton函数

函数将IP地址转换成字符串。定义如下：

int inet_pton(int family,const char *strptr,void *addrptr);

如果成功返回1，输入无效返回0，出错返回-1。

（5）inet_ntop函数

函数与inet_pton函数操作相反。定义如下：

const char* inet_ntop(int family,const void *addrptr,char *strptr,size_t len);

如果成功返回指向结果的指针，出错返回NULL。

2、套接字函数

2.1、函数

套接字函数有下面几个，定义在<sys/socket.h>头文件中。

int socket(int family,int type,int protocol);//返回：成功返回非负描述符，出错返回-1
int connect(int sockfd,const sockaddr *servaddr,socklen_t addrlen);//返回：成功返回0，出错返回-1
int bind(int sockfd,const struct sockaddr *myaddr,socklen_t addrlen);//返回：成功返回0，出错返回-1
int listen(int sockfd,int backlog);//返回：成功返回0，出错返回-1
int accept(int sockfd,struct sockaddr *cliaddr,socklen_t *addrlen);//返回：成功返回非负描述符，出错返回
int close(int sockfd);//返回：成功返回0，出错返回

2.2、套接字函数的调用过程

下面是一个完整的TCP连接中服务器与客户的函数调用过程：

3、一个简单的时间获取程序

下面的程序运用了上面讲述的内容，分为客户端程序和服务器端程序。代码如下：

（1）客户端

#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MAXLINE 1024int main(int argc,char *argv[])
{int sockfd;char recvline[MAXLINE];if(argc!=2||strcmp(argv[1],"--help")==0){printf("Usage:%s <IPaddress>\n",argv[0]);return 0;}if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){printf("socket error\n");return 0;}struct sockaddr_in servaddr;bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));servaddr.sin_family=AF_INET;servaddr.sin_port=htons(5000);if(inet_pton(AF_INET,argv[1],&servaddr.sin_addr)<=0){printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);return 0;}if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr))<0){printf("connect error\n");return 0;}int n;while((n=read(sockfd,recvline,MAXLINE))>0){recvline[n]=0;if(fputs(recvline,stdout)==EOF){printf("fputs error\n");return 0;}}if(n<0){printf("read error\n");return 0;}return 0;
}

（2）服务器端

#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#define MAXLINE 1024int main(int argc,char *argv[])
{int listenfd;struct sockaddr_in servaddr;char buff[MAXLINE];time_t ticks;if((listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){printf("socket error\n");return 0;}bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));servaddr.sin_family=AF_INET;servaddr.sin_port=htons(5000);servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);if(bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr))<0){printf("bind error\n");return 0;}if(listen(listenfd,5)<0){printf("listen error\n");return 0;}int connfd;socklen_t len;struct sockaddr_in cliaddr;for(;;){len=sizeof(cliaddr);printf("Listening...\n");if((connfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&len))<0){printf("accept error\n");return 0;}printf("Receive a connection from:%s.%d\n",inet_ntop(AF_INET,&cliaddr.sin_addr,buff,sizeof(buff)),ntohs(cliaddr.sin_port));ticks=time(NULL);snprintf(buff,sizeof(buff),"%.24s\r\n",ctime(&ticks));if(write(connfd,buff,strlen(buff))<0){printf("write error\n");return 0;}if(close(connfd)<0){printf("close error\n");return 0;}}
}

运行结果如下：

（1）启动服务器

程序开始监听。

（2）启动客户端

得到结果

（3）服务器端

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