Linux套接字结构定义

Linux C的网络基础操作函数

字节顺序转换函数族

IP地址转换函数族

域名转换函数

Linux网络套接字操作函数

创建套接字描述符函数

绑定套接字函数

建立连接函数

倾听套接字切换函数

接收连接函数

关闭连接函数

套接字读写函数

套接字地址获取函数

发送和接收函数

Linux套接字结构定义

Linux在头文件<sys/socket.h>中定义了一种通用的套接字结构类型，以供不同的协议调用：

struct sockaddr
{unsigned short int sa_family;unsigned char sa_data[14];
};

其中sa_family是套接字协议族地址类型，sa_data则是具体的协议地址（不同的协议族对应不同的地址结构）。

常见协议对应的sa_family值

可选值

说明

AF_INET

IPv4协议

AF_INET6

IPv6协议

AF_LOCAL

UNIX协议

AF_LINK

链路地址协议

AF_KEY

密钥套接字

除了sockaddr以外，Linux还在头文件<netinet/in.h>中定义了另外一种结构类型sockaddr_in，它和sockaddr等效且可以互相转换（需要显式转换），通常在涉及TCP/IP的编程协议中使用。

struct sockaddr_in
{int sa_len;                     //长度单位，不必设置，通常情况下固定长度为16字节short int sa_family;            //地址族unsigned short int sin_port;    //端口号struct in_addr sin_addr;        //IP地址unsigned char sin_zero[8];      //填充0以保持与struct sockaddr同样大小
};struct sin_addr
{in_addr_t s_addr;    //32位IPv4地址，网络字节序
};

使用sockaddr_in的时候需要注意以下几点：

·结构sockaddr_in中的TCP或UDP端口号sin_port和IP地址sin_addr都是以网络字节序存储的，因此要注意格式统一

·32位的IPv4地址可以利用两种不同的方法使用，如sockaddr_in类型的结构体addr，要使用其IP地址可以是addr.sin_addr（此时引用的是结构体类型），也可以是addr.sin_addr.s_addr（此时引用的是整型）

·sin_zero不被使用，它是为了和通用套接字地址sockaddr保持一致而引入的，通常会被填充为0

Linux C的网络基础操作函数

字节顺序转换函数族

计算机的数据存储有两种形式：大端格式和小端格式

·大端格式：字数据的高位存储在低地址中

·小端格式：字数据的高位存储在高地址中

网络中的数据传输采用的是大端格式，而计算机操作系统既有大端格式（大型机）也有小端格式（一般PC机）。Linux在头文件<arpa/inet.h>提供了4个函数用于处理大端格式和小端格式的数据转换。

/*函数名中，h代表host，n代表network，s代表short，l代表long32位的long数据通常存放IP地址，16位的short数据通常存放端口号这些函数调用成功后返回处理后的值，调用失败则返回-1
*/
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);    //将32位PC机数据（小端格式）转换为32位网络传输数据（大端格式）
uint16_t htons(uint16_t hostshort);   //将16位PC机数据（小端格式）转换为16位网络传输数据（大端格式）
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);     //将32位网络传输数据转换为32位PC机数据
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);    //将16位网络传输数据转换为16位PC机数据

IP地址转换函数族

Linux在头文件<arpa/inet.h>提供了用于将“点分十进制”表示的IP地址与二进制表示的IP地址相互转换的函数族，这些函数包括inet_aton、inet_addr和inet_ntoa等。

·inet_aton函数用于将点分十进制数的IP地址转换成网络字节序的32位二进制数值。输入的点分十进制IP地址存放在参数straddr中，作为返回结果的二进制数值存放在addrptr中。

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

·inet_ntoa函数调用的结果将作为函数的返回值返回给调用它的函数。

char *inet_ntoa(struct in_addr inaddr);

·int_addr函数的功能与inet_aton函数相同，但是结果传递的方式不同。结果以返回值的形式返回。

in_addr_t inet_addr(const char *straddr);

域名转换函数

Linux在头文件<netdb.h>中定义了一个结构体，用于描述一个主机的相关参数：

#define h_addr h_addr_list[0];    //主机的第一个IP地址struct hostent
{char *h_name;          //主机的正式名称char *h_aliases;       //主机的别名int h_addrtype;        //主机的地址类型，IPv4为AF_INETint h_length;          //主机的地址长度，对于IPv4是4字节，即32位char **h_addr_list;    //主机的IP地址列表
};

头文件<netdb.h>提供了gethostbyname和gethostbyaddr函数用于处理域名和地址的转换：

extern int h_errno;
struct hostent *gethostbyname(const char *name);
struct hostent *gethostbyaddr(const void *addr, socklen_t len, int type);

gethostbyname用于实现域名或主机名到IP地址的转换，参数name指向存放域名或主机名的字符串。gethostbyaddr用于实现IP地址到域名或主机名的转换，参数addr是一个指向含有地址结构（in_addr）的指针；参数len是此结构的大小，对于IPv4而言其值为4，对于IPv6则是16；参数type为协议类型。

若调用这两个函数成功，则返回一个指向hostent结构的指针，若调用失败则返回空指针NULL，同时设置全局变量h_errno为相应的值。

h_errno可能的值

h_errno

说明

HOST_NO_FOUND

找不到对应的主机

TRY_AGAIN

出错重试

NO_RECOVERY

出现了不可修复的错误

NO_DATA

该名字有效，但没有找到该记录

Linux网络套接字操作函数

创建套接字描述符函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);    //创建成功的返回值为整型的套接字描述符，创建失败则返回-1

·domain：套接字的协议类型，socket函数支持的协议类型如下

协议名称

描述

AF_UNIX, AF_LOCAL

本地交互协议

AF_INET

IPv4协议

AF_INET6

IPv6协议

AF_NETLINK

内核接口设备协议

AF_IPX

IPX-Novell协议

AF_X25

ITU-T X.25/ISO-8208协议

AF_AX25

业余无线电AX.25协议

AF_ATMPVC

原始ATM接入协议

AF_APPLETALK

苹果公司的Appletalk协议

AF_PACKET

底层数据包接口

·type：用于指定当前套接字类型，socket函数支持的套接字类型包括SOCK_STREAM（数据流）、SOCK_DGRAM（数据报）、SOCK_SEQPACKET（顺序数据报）、SOCK_RAW（原始套接字）、SOCK_RDM（可靠传递消息）、SOCK_PACKET（数据包）。

·除了在使用原始套接字以外，通常情况下设置为0，以表示使用默认的协议。

在Linux系统中创建一个套接字时会在内核中创建一个套接字数据结构，然后返回一个套接字描述符标识这个套接字数据结构。这个套接字数据结构包含连接的各种信息，如目的地址、TCP状态以及发送接收缓冲区等。TCP协议这个套接字数据机构的内容来控制这条连接。

绑定套接字函数

在创建了套接字之后需要将本地地址和套接字绑定在一起，Linux提供了bind函数进行这个操作：

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);    //若绑定成功则返回0，否则返回-1

其中参数sockfd是创建套接字时得到的套接字描述符，addr是本地地址，addrlen是套接字对应的地址结构长度。在C/S模式下服务器和客户端都可以使用bind函数来设置套接字地址，通常来说有以下5种模式：

·服务器指定套接字地址的公认端口号，不指定IP地址。这时addr的值设为INADDR_ANY，表示它愿意接收来自任何网络设备接口的客户端连接，这是服务器最经常使用的绑定方式。

·服务器指定套接字地址的公认端口号和IP地址，表示服务器只接收来自对应于这个IP地址的特定网络设备端口的客户端连接

·客户端指定套接字地址的连接端口号，在一般情况下，客户端不用指定自己的套接字地址的端口号，当客户调用函数connect进行TCP连接时，系统会自动为它选择一个未用的端口号，当客户端调用函数connect进行TCP连接时，系统会自动为它选择一个未使用的端口号，并且用本地的IP地址来填充套接字地址中的相应项。

·指定客户端的IP地址和连接端口号，表示客户端使用指定的网络设备接口和端口号进行通信

·指定客户端的IP地址，表示客户端使用指定的网络设备接口进行通信，系统自动为客户端选择一个未使用的端口号。一般情况下，只有在主机有多个网络设备接口时使用。

bind函数对应的参数组合方式

C/S

port

说明

服务器

INADDR_ANY

非0值

指定服务器的公认端口号

服务器

本地IP地址

非0值

指定服务器的IP地址和公认端口号

客户端

INADDR_ANY

非0值

指定客户端的连接端口号

客户端

本地IP地址

非0值

指定客户端的IP地址和连接端口号

客户端

本地IP地址

指定客户端的IP地址

在编写客户端程序时，通常不适用固定的端口号，除非是在必须使用特定端口的情况下，例如：

·服务器执行主动关闭操作：服务器最后进入TIME_WAIT状态。当客户机再次与这个服务器进行连接时，仍使用相同的客户机端口号，于是这个连接与前一次连接的套接字对完全相同，这是因为前一次连接处于TIME_WAIT状态，并未完全消失，所以这次连接请求被拒绝，函数connect以错误返回。

·客户端执行手动关闭操作：客户端最后进入TIME_WAIT状态，当立刻再次执行这个客户端程序时，客户机将继续与这个固定客户机端口号绑定，但因为前一次连接处于TIME_WAIT状态，并未消失，系统会发现这个端口号仍被占用，所以这次绑定操作失败，函数bind以错误返回。

建立连接函数

当使用socket函数建立一个套接字并且绑定了地址之后，即可使用connect函数来和服务器建立连接：

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);    //若连接成功则返回0，否则返回-1

connect函数的参数含义与bind函数相同。

在调用connect函数建立连接之前，客户端应用程序需要指定服务器端进行的套接字地址，而客户端不会指定自己的套接字地址，这时Linux会自动从1024~5000的端口范围中为客户端分配一个未被使用的套接字地址，然后将该端口号和本机IP地址结合在一起放入套接字地址中。

当客户端调用函数connect函数来主动建立连接时，这个函数将启动TCP3次握手过程，在连接建立之后或发生错误时，函数返回。连接过程中可能有以下几种错误情况：

·如果客户端TCP协议没有接收到对它的SYN确认信息，则函数以错误返回，错误类型为ETIMEOUT。

·如果远程TCP协议返回一个RST数据报，则函数立即以错误返回，错误类型为ECONNREFUSED。当在SYN数据报指定的目的端口号没有服务器进程在等待连接时，会发送RST数据报，向客户机报告这个错误。

·如果客户机的SYN数据报导致某个路由器产生“目的地不可达”类型的ICMP消息，则函数以错误返回，错误类型为EHOSTUNREACH或ENETUNREACH。通常情况下，TCP协议在接收到ICMP消息后回记录下这个消息并继续发送几次SYN数据报，如果都宣告失败，函数才会以错误返回。

如果调用函数connect失败，应该用函数close关闭这个套接字，不能再次用这个套接字来调用函数connect。

倾听套接字切换函数

对于服务器端的应用程序而言，在创建了套接字之后通常需要等待客户端的连接，此时可以使用listen函数将该套接字转换为倾听套接字。

int listen(int sockfd, int backlog);    //成功则返回0，否则返回-1

参数sockfd为套接字描述符，backlog为设置请求队列的最大长度。该函数的功能有以下两个：

·socket函数创建的套接字是主动套接字，可以用它来进行主动连接（调用connect函数），但不能接受连接请求，而用于服务器的套接字必须能够接收客户端请求。listen函数将一个尚未连接的主动套接字转换成为一个被动套接字，被动套接字可以接收请求。

总结起来就是，若要创建一个倾听套接字，必须首先调用socket函数创建一个主动套接字，然后调用bind函数将套接字与服务器套接字地址绑定在一起，最后调用listen函数进行转换。这3个操作是所有TCP服务器必须执行的操作。

而对于参数backlog的作用，TCP协议为每个倾听套接字维护两个队列：

·未完成连接队列：每个尚未完成3次握手操作的TCP连接在这个队列中占有一项。TCP协议在接收到一个客户机的SYN数据报后，在这个队列中创建一个新条目，然后发送确认消息以及自己的SYN数据报（ACK+SYN），等待客户端对自己的SYN进行确认。此时，套接字处于SYN_RCVD状态，这个条目保存在队列中，直到客户端返回对自己SYN消息的确认，或者连接超时。

·已完成连接队列：每个已经完成3次握手操作，但尚未被应用程序接收（调用accept函数）的TCP连接在这个队列中占有一项。

参数backlog指定倾听套接字的完成连接对了的最大长度，表示这个套接字能够接收的最大数目的未接收（unaccepted）连接。如果当一个客户端的SYN消息到达，但这个队列已满，TCP协议将会忽略这个SYN，并且不会发送RST数据报。

接收连接函数

当服务器倾听到一个连接之后，可以使用函数accept从倾听套接字的完成连接队列中接收一个连接，如果这个完成连接队列为空，则会使得这个进程进入睡眠状态。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

当这个函数执行成功时，函数返回值为一个新的套接字描述符，标识这个接收的连接。而且函数还把参数addr指向的结构变量中的地址修改为客户机地址，更新参数addrlen指向的整型变量中存储客户机地址的长度。如果对客户机的地址和长度都不感兴趣，可以将参数addr和addrlen设置为NULL。若函数执行失败，返回-1。

accept函数从倾听套接字的完成连接队列中接收一个已经建立的TCP连接，因为倾听套接字时专为接收客户机请求，完成3次握手的连接操作而用的，所以TCP协议不能使用倾听套接字来标识这个连接，于是TCP协议创建一个新的套接字来标识这个要接收的连接，并将它返回给应用程序。现在有两个套接字：一个是调用accept函数时使用的倾听套接字，另一个是accept函数执行成功返回的连接套接字（connected socket）。这两个套接字的作用是完全不同的：一个服务器进程通常只需要创建一个倾听套接字，在服务器进程的整个活动期间，用它来接收所有客户机连接请求，在服务器进程终止前关闭这个倾听套接字；而对于每个接收的连接，TCP都要创建一个新的连接套接字来标识这个连接，服务器使用这个连接套接字与客户机进行通信，当服务器处理完这个客户机请求时，关闭这个套接字。

关闭连接函数

当操作完成之后，可以使用close函数来关闭当前建立的连接，这函数定义在头文件<unistd.h>中。

int close(int fd);

close函数将套接字描述符的引用计数减1。如果描述符的引用计数大于0，则表示还有进程引用这个描述符，close函数正常返回；如果描述符的引用计数变为0，则表示再没有进程引用这个描述符，于是启动清除套接字描述符的操作，函数正常返回。清除操作是将这个套接字描述符标记为关闭状态，进程将不再能访问这个套接字，但并不表示套接字已经被删除（联想一下TCP的4次挥手的过程）。TCP将继续使用这个套接字，将尚未发送的数据传递给对方，然后发送FIN数据报，执行关闭操作，直到这个TCP连接完全关闭后，套接字才会被删除。

套接字读写函数

函数read和write分别用于从套接字读/写数据。

int read(int fd, char *buf, int len);
int write(int fd, char *buf, int len);

fd为套接字描述符；buf指定数据缓冲区；len指定接收或发送的数据量大小（以字节为单位）。函数成功执行时，返回读/写成功的数据量大小，失败则返回-1。

套接字地址获取函数

当需要获取套接字的地址时，可以使用头文件<sys/socket.h>中的getsockname和getpeername函数，前者用于返回本地的套接字地址，后者用于返回与本地套接字建立了连接的对等套接字地址。

//函数调用成功则返回0，否则返回-1
int getsockname(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

需要注意的是，如果sockfd标记的套接字中的地址长度大于addr指向的对象的存储空间，则存储的地址将被截断，如果socket还没有捆绑地址，则结果是未知的。

存储在addr参数所指对象中的地址格式依赖于该套接字的通信域。对于给定的通信域，套接字地址的长度通常是固定的，如果需要确切知道空间大小，并提供实际需要的存储空间，通常的做法是利用与套接字通信域相匹配的数据类型为addr所指对象分配空间，然后强制其地址转换为struct socket *并传送给getsockname。

getsockname函数通常会应用于以下情况：

·对于没有使用bind捆绑地址至套接字的客户进程，在它成功调用connect之后，getsockname可以返回内核指定给该套接字的本地地址（如IP地址和端口号等）。

·当利用0端口号（系统自动分配端口号）调用bind之后，getsockname可以返回系统指定给该套接字的本地端口号

·getsockname可以获得一个套接字的地址族

·服务进程在接收了客户的连接请求之后（成功调用accept之后），以accept返回的描述符调用getsockname可以获得指定给该连接的套接字地址，这个套接字是连接套接字而不是倾听套接字。

getpeername函数的行为与getsockname函数类似。

发送和接收函数

除了之前说的read和write之外，还可以使用recv和send函数来在套接字中实现数据的发送和接送。这两个函数相比read/write多了一个参数用以指明控制套接字特殊传输方式的各种标志。

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

与read/write函数相同，如果调用成功，返回值是代表接收/发送成功的字节数（函数发送的实际长度可能小于其指定的长度），失败则返回-1。flags参数用于指定消息的传送类型，当该值为0时send函数和write函数完全相同，同样recv函数与read函数也相同。

send函数的flags参数除0外还有如下两种取值：

send函数的flags参数取值

MSG_OOB

send函数发送的数据成为带外数据，带外数据是流套接字特有的。在流套接字上传送数据时，数据按它们写出的顺序传送。因为接收进程必须依次读套接字上的当前数据，因此当出现一个紧急情况时，没有办法立即通知接收进程。带外数据正是用于解决这个问题。带外数据在正常的数据流之外发送，其效果相当于越过套接字上所有等待的数据。当它到达接收进程时，接收进程会收到一个信号，从而进程可以立即处理这个数据。

MSG_DONTROUTE

不在消息中包含路由信息，通常来说普通应用不会关系相应的信息。

recv函数的flags参数除0外还有如下三种取值：

recv函数的flags参数取值

MSG_OOB

读带外数据

MSG_PEEK

窥视套接字上的数据而不实际读出它们，即尽管buffer所指对象中填入了所请求的数据，但随后的read或recv将读到相同的数据。

MSG_WAITALL

请求函数阻塞直至所请求的全部数据都已接收到。

write函数、read函数、send函数和recv函数都是用于TCP下面向连接的套接字数据发送和接收。而在UDP下面向无连接的套接字数据发送和接收则需要使用sendto和recvfrom函数。

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *src_addr, socklen_t addrlen);

本文内容摘自《Linux C编程从基础到实践》，有改动

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