Linux下程序设计之Socket编程

昆明理工大学
Linux程序设计
题目：Linux下程序设计之Socket编程
学生姓名：
学号：
专业班级：
指导教师：梁波
摘要
Socket接口是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数或例程，程式员能用他们来研发TCP/IP网络上的应用程式。

要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Socket接口。

Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。

网络的Socket 数据传输是一种特别的I/O，Socket也是一种文件描述符。

Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

常用的Socket类型有两种：流式Socket （SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。

流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

本设计是面向客户—服务器模型设计，主要实现一个客户端向服务器传输文件数据，另一个客户端可以从服务器获取该数据的功能。

Linux下程序设计之Socket编程
一、设计目的
掌握Linux网络开发知识。

掌握课题的设计步骤和方法。

提高Linux下c程序设计的能力。

掌握应用程序开发中的需求分析与方法。

二、实验原理
1.Socket建立
为了建立Socket，程式能调用Socket函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。

socket函数原型为：
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain指明所使用的协议族，通常为PF_INET，表示互连网协议族（TCP/IP协议族）；type参数指定socket的类型： SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM，Socket 接口还定义了原始Socket（SOCK_RAW），允许程式使用低层协议；protocol通常赋值"0"。

Socket()调用返回一个整型socket描述符，你能在后面的调用使用他。

Socket描述符是个指向内部数据结构的指针，他指向描述符表入口。

调用Socket函数时，socket执行体将建立一个Socket，实际上"建立一个Socket"意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。

Socket执行体为你管理描述符表。

两个网络程式之间的一个网络连接包括五种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。

Socket数据结构中包含这五种信息。

2.Socket设置
通过socket调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传输以前，必须设置该socket。

面向连接的socket客户端通过调用Connect函数在socket数据结构中保存本地和远端信息。

无连接socket的客户端和服务端及面向连接socket的服务端通过调用 bind函数来设置本地信息。

Bind函数将socket和本机上的一个端口相关联，随后你就能在该端口监听服务请求。

Bind函数原型为：
int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);
Sockfd是调用socket函数返回的socket描述符,my_addr是个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针；addrlen常被设置为sizeof(struct sockaddr)。

struct sockaddr结构类型是用来保存socket信息的：
struct sockaddr {
unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */
char sa_data[14]; /* 14 字节的协议地址 */
};
sa_family一般为AF_INET，代表Internet（TCP/IP）地址族；sa_data 则包含该socket的IP地址和端口号。

另外更有一种结构类型：
struct sockaddr_in {
short int sin_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 以保持和struct sockaddr同样大小 */
};
这个结构更方便使用。

sin_zero用来将sockaddr_in结构填充到和struct sockaddr同样的长度，能用bzero()或memset()函数将其置为零。

指向sockaddr_in 的指针和指向sockaddr的指针能相互转换，这意味着如果一个函数所需参数类型是sockaddr时，你能在函数调用的时候将一个指向sockaddr_in的指针转换为指向sockaddr的指针；或相反。

使用bind函数时，能用下面的赋值实现自动获得本机IP地址和随机获取一个没有被占用的端口号：
my_addr.sin_port = 0; /* 系统随机选择一个未被使用的端口号 */
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 填入本机IP地址 */
通过将my_addr.sin_port置为0，函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用。

同样，通过将my_addr.sin_addr.s_addr置为INADDR_ANY，系统会自动填入本机IP地址。

注意在使用bind函数是需要将sin_port和sin_addr转换成为网络字节优先顺序；而sin_addr则不必转换。

计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先。

Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器，在Internet上传输数据时就需要进行转换，否则就会出现数据不一致。

下面是几个字节顺序转换函数：
?htonl()：把32位值从主机字节序转换成网络字节序
?htons()：把16位值从主机字节序转换成网络字节序
?ntohl()：把32位值从网络字节序转换成主机字节序
?ntohs()：把16位值从网络字节序转换成主机字节序
Bind()函数在成功被调用时返回0；出现错误时返回"-1"并将errno置为相应的错误号。

需要注意的是，在调用bind函数时一般不要将端口号置为小于1024的值，因为1到1024是保留端口号，你能选择大于1024中的所有一个没有被占用的端口号。

3.连接建立
面向连接的客户程式使用Connect函数来设置socket并和远端服务器建立一个TCP连接，其函数原型为：
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen); Sockfd 是socket函数返回的socket描述符；serv_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针；addrlen是远端地质结构的长度。

Connect函数在出现错误时返回-1，并且设置errno为相应的错误码。

进行客户端程式设计无须调用bind()，因为这种情况下只需知道目的机器的IP地址，而客户通过哪个端口和服务器建立连接并不必关心，socket执行体为你的程式自动选择一个未被占用的端口，并通知你的程式数据什么时候到打断口。

Connect函数启动和远端主机的直接连接。

只有面向连接的客户程式使用socket时才需要将此socket和远端主机相连。

无连接协议从不建立直接连接。

面向连接的服务器也从不启动一个连接，他只是被动的在协议端口监听客户的请求。

Listen函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程式处理他们。

int listen(int sockfd， int backlog);
Sockfd 是Socket系统调用返回的socket 描述符；backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待accept()他们（参考下文）。

Backlog对队列中等待服务的请求的数目进行了限制，大多数系统缺省值为20。

如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该socket将拒绝连接请求，客户将收到一个出错信息。

当出现错误时listen函数返回-1，并置相应的errno错误码。

accept()函数让服务器接收客户的连接请求。

在建立好输入队列后，服务器就调用accept函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。

int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);
sockfd是被监听的socket描述符，addr通常是个指向sockaddr_in变量的指针，该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息（某台主机从某个端口发出该请求）；addrten通常为一个指向值为sizeof(struct sockaddr_in)的整型指针变量。

出现错误时accept函数返回-1并置相应的errno值。

首先，当accept函数监视的 socket收到连接请求时，socket执行体将建立一个新的socket，执行体将这个新socket和请求连接进程的地址联系起来，收到服务请求的初始socket仍能继续在以前的 socket上监听，同时能在新的socket
描述符上进行数据传输操作。

4.数据传输
Send()和recv()这两个函数用于面向连接的socket上进行数据传输。

Send()函数原型为：
int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags); Sockfd是你想用来传输数据的socket描述符；msg是个指向要发送数据的指针；Len是以字节为单位的数据的长度；flags一般情况下置为0（关于该参数的用法可参照man手册）。

Send()函数返回实际上发送出的字节数，可能会少于你希望发送的数据。

在程式中应该将send()的返回值和欲发送的字节数进行比较。

当send()返回值和len不匹配时，应该对这种情况进行处理。

char *msg = "Hello!";
int len, bytes_sent;
……
len = strlen(msg);
bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);
……
recv()函数原型为：
int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);
Sockfd是接受数据的socket描述符；buf 是存放接收数据的缓冲区；len 是缓冲的长度。

Flags也被置为0。

Recv()返回实际上接收的字节数，当出现错误时，返回-1并置相应的errno值。

Sendto()和recvfrom()用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。

由于本地socket并没有和远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。

sendto()函数原型为：
int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen);
该函数比send()函数多了两个参数，to表示目地机的IP地址和端口号信息，而tolen常常被赋值为sizeof (struct sockaddr)。

Sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。

Recvfrom()函数原型为：
int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);
from是个struct sockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。

fromlen常置为sizeof (struct sockaddr)。

当recvfrom()返回时，fromlen 包含实际存入from中的数据字节数。

Recvfrom()函数返回接收到的字节数或当出现错误时返回-1，并置相应的errno。

如果你对数据报socket调用了connect()函数时，你也能利用send()和recv()进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并且利用传输层的UDP服务。

但在发送或接收数据报时，内核会自动为之加上目地和源地址信息。

5.结束传输
当所有的数据操作结束以后，你能调用close()函数来释放该socket，从而停止在该socket上的所有数据操作：
close(sockfd);
你也能调用shutdown()函数来关闭该socket。

该函数允许你只停止在某个方向上的数据传输，而一个方向上的数据传输继续进行。

如你能关闭某socket 的写操作而允许继续在该socket上接受数据，直至读入所有数据。

int shutdown(int sockfd,int how);
Sockfd是需要关闭的socket的描述符。

参数 how允许为shutdown操作选择以下几种方式：
?0-------不允许继续接收数据
?1-------不允许继续发送数据
?2-------不允许继续发送和接收数据，
?均为允许则调用close ()
shutdown在操作成功时返回0，在出现错误时返回-1并置相应errno。

三、设计分析
本试验是在Linux环境下基于Socket进行开发的。

系统有一个服务器端和两个客户端组成。

先是运行服务器等待两个客户端的连接请求，客户端1和客户端2分别登入到服务器上，登入成功后服务器会分别给客服端发送登陆成功提
示。

此时客户端1便可将指定文件里的内容打开，发送到服务器上，服务器接收后再将之转发给客户端2，接着客户端2新建一个文件，并将接收到的由服务器转发的内容写入到该文件中，由此便实现了不同客户端之间的文件传送。

四、系统设计
1.系统功能
1）开启服务器；
2）两个客户端登入服务器；
3）客户端1打开文件并传给服务器；
4）服务器将接收到的内容传给客户端2；
5）客户端2新建文件并保持收到的内容。

2.相关文件
fuwuqi.c是服务器源代码，kehuduan1.c是客户端1源代码，kehuduan2.c 是客户端2源代码，fuwuqi是服务器执行文件，kehuduan1是客户端1执行文件，kehuduan2是客户端2执行文件，xshy.c是所要传送的文件，rec是接收文件所在的文件夹。

五、调试结果
服务器
客户端1
客户端2
六、小结
在这次编程实践中，我熟练了linux系统下的操作，提高了我在linux下用C语言编写程序的能力，掌握了SOCKET编程，巩固了专业知识，通过本次实践，使我亲身感受了所学知识与实际的应用，理论与实际的相结合，让我们大开眼界，
也算是对以前所学知识的一个初审吧！这次课程设计对于我们以后学习、找工作也真是受益菲浅。

本来是想设计双方都可以发送接收的，奈何能力不足，错误多多，暂时就只能先实现简单的一方发送一方接收，接下来会思考下如何进一步改善。

七、附录代码：
1.fuwuqi.c
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define SERVPORT 2012 //端口号
#define BACKLOG 10 //最大请求数
#define MAX_CONNECTED_NC 10
#define MAXDATASIZE 64 //缓冲区长度
#define FILE_NAME_MAX_SIZE 512
int main()
{
struct sockaddr_in fuwuqi_sockaddr,kehuduan1_sockaddr,kehuduan2_sockaddr;
int sin_size,shoudaozijieshu;
int fuwuqi_fd,kehuduan1_fd,kehuduan2_fd;
int wenjian_open,wenjian_write;
char buf[MAXDATASIZE],temp[MAXDATASIZE],*IP1,*IP2;
char *filename;
if((fuwuqi_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) //建立服务器socket连接{
perror("socket");
exit(1);
}
printf("socket success!\n");
//设置server_sockaddr相关参数
fuwuqi_sockaddr.sin_family=AF_INET;
fuwuqi_sockaddr.sin_port=htons(SERVPORT);
fuwuqi_sockaddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
bzero(&(fuwuqi_sockaddr.sin_zero),8);
//服务器绑定
if(bind(fuwuqi_fd,(struct sockaddr*)&fuwuqi_sockaddr,sizeof(struct sockaddr))==-1) {
perror("bind");
exit(1);
}
printf("bind success!\n");
if (listen(fuwuqi_fd,BACKLOG)==-1) )//服务器监听
{
perror("listen");
exit(1);
}
printf("listening...\n");
sin_size=sizeof(struct sockaddr);
//等待客户1连接
if((kehuduan1_fd=accept(fuwuqi_fd,(struct
sockaddr*)&kehuduan1_sockaddr,&sin_size))==-1)
{
perror("accept:");
exit(1);
}
else
{
memset(temp,0,sizeof(temp));
strcpy(temp,"success to log in the server!");
//等待客户2连接
if(send(kehuduan1_fd,temp,MAXDA TASIZE,0)==-1)
{
perror("send");
exit(1);
}
}
if((kehuduan2_fd=accept(fuwuqi_fd,(struct
sockaddr*)&kehuduan2_sockaddr,&sin_size))==-1)
{
perror("accept:");
exit(1);
}
else
{
memset(temp,0,sizeof(temp)); //从客户1接收文件内容
strcpy(temp,"success to log in the server!");
if(send(kehuduan2_fd,temp,MAXDA TASIZE,0)==-1)
{
perror("send");
exit(1);
}
}
memset(temp,0,sizeof(temp)); //向客户2转发接收到的内容
strcpy(temp,"You friend has on-line,you can send/accept now!");
if((send(kehuduan1_fd,temp,MAXDA TASIZE,0)==-1)||(send(kehuduan2_fd,temp,MAXDAT ASIZE,0)==-1))
{
perror("send");
exit(1);
}
printf("file upload server starting...\n");
memset(buf,0,sizeof(buf));
if((shoudaozijieshu=recv(kehuduan1_fd,buf,MAXDATASIZE,0))==-1)
{
perror("recv");
exit(1);
}
printf("buf:%s\n",buf);
if(send(kehuduan2_fd,buf,MAXDATASIZE,0)==-1)
{
perror("send");
exit(1);
}
printf("file upload success!\n");
close(wenjian_open);
close(fuwuqi_fd);
}
2.kehuduan1.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<netdb.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define SERVPORT 2012 //端口号
#define MAXDATASIZE 64 //缓冲区长度
int main(int argc,char *argv[])
{
int kehuduan1_fd,fasongzijieshu,shoudaozijieshu;
int wenjian_open,wenjian_read;
char buf[MAXDATASIZE];
char *filename,*p;
struct hostent *host;
struct sockaddr_in kehuduan1_sockaddr;
void my_recvmsg(int shoudaozijieshu,int kehuduan1_fd,char *buf);
if(argc<2)
{
fprintf(stderr,"please enter the huwuqi's hostname!\n");
exit(1);
}
if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) //地址解析函数
{
perror("gethostbyname");
exit(1);
}
if((kehuduan1_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) //建立客户1连接{
perror("socket");
exit(1);
}
memset(&kehuduan1_sockaddr,0,sizeof(kehuduan1_sockaddr));
//设置client_sockaddr相关参数
kehuduan1_sockaddr.sin_family=AF_INET;
kehuduan1_sockaddr.sin_port=htons(SERVPORT);
kehuduan1_sockaddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
bzero(&(kehuduan1_sockaddr.sin_zero),8);
if(connect(kehuduan1_fd,(struct sockaddr*)&kehuduan1_sockaddr,sizeof(struct sockaddr))==-1)
{
perror("connect");
exit(1);
} //主动发起对服务器的连接请求
printf("start connecting...\n");
my_recvmsg(shoudaozijieshu,kehuduan1_fd,buf); //接收登入连接信息
my_recvmsg(shoudaozijieshu,kehuduan1_fd,buf); //接收开始聊天信息
filename="/home/zyf/lbq/xshy.c";
if ((wenjian_open=open(filename,O_RDONL Y))==-1) //打开所要发送的文件
{
perror("open will upload file");
exit(1);
}
memset(buf,0,sizeof(buf)); //将所要发送的内容写入buf if((wenjian_read=read(wenjian_open,buf,MAXDATASIZE))==-1)
{
perror("read will upload file");
exit(1);
}
printf("%s\n",buf);
//客户1向服务器发送文件内容
if((fasongzijieshu=send(kehuduan1_fd,buf,MAXDA TASIZE,0))==-1)
{
perror("send");
exit(1);
}
printf("file has been uploaded successfully!\n");
close(wenjian_open);
close(kehuduan1_fd);
}
void my_recvmsg(int shoudaozijieshu,int kehuduan1_fd,char *buf) //接收信息函数{
memset(buf,0,sizeof(buf));
if((shoudaozijieshu=recv(kehuduan1_fd,buf,MAXDATASIZE,0))==-1)
{
perror("recv");
exit(1);
}
else
{
printf("%s\n",buf);
}
}
3.kehuduan2.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<netdb.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define SERVPORT 2012 //端口号
#define MAXDATASIZE 64 //缓冲区长度
int main(int argc,char *argv[])
{
int kehuduan2_fd,fasongzijieshu,shoudaozijieshu;
int wenjian_open,wenjian_write,wenjian_read;
char buf[MAXDATASIZE];
char *filename,*p;
struct hostent *host;
struct sockaddr_in kehuduan2_sockaddr;
void my_recvmsg(int shoudaozijieshu,int kehuduan2_fd,char *buf);
if(argc<2)
{
fprintf(stderr,"please enter the huwuqi's hostname!\n");
exit(1);
}
if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) //地址解析函数
{
perror("gethostbyname");
exit(1);
}
if((kehuduan2_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) //建立客户2连接
{
perror("socket");
exit(1);
}
memset(&kehuduan2_sockaddr,0,sizeof(kehuduan2_sockaddr));
//设置client_sockaddr相关参数
kehuduan2_sockaddr.sin_family=AF_INET;
kehuduan2_sockaddr.sin_port=htons(SERVPORT);
kehuduan2_sockaddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
bzero(&(kehuduan2_sockaddr.sin_zero),8);
if(connect(kehuduan2_fd,(struct sockaddr*)&kehuduan2_sockaddr,sizeof(struct sockaddr))==-1)
{
perror("connect");
exit(1);
}
printf("start connecting...\n"); //主动发起对服务器的连接请求
my_recvmsg(shoudaozijieshu,kehuduan2_fd,buf); //接收登入连接信息
my_recvmsg(shoudaozijieshu,kehuduan2_fd,buf); //接收开始聊天信息
filename="/home/zyf/lbq/rec/xshy.c"; //客户2新建文件
if((wenjian_open=open(filename,O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONL Y,0644))==-1)
{
perror("open localhost file");
exit(1);
}
memset(buf,0,sizeof(buf)); //客户2接收从服务器转发过来的客户1的文件内容if((shoudaozijieshu=recv(kehuduan2_fd,buf,MAXDATASIZE,0))==-1)
{
perror("recv");
exit(1);
}
printf("buf:%s\n",buf);
//客户2讲接收到的内容写入新建文件中
if(wenjian_write=write(wenjian_open,buf,sizeof(buf))==-1)
{
perror("writting to file error");
exit(1);
}
printf("file has been uploaded successfully!\n");
close(wenjian_open);
close(kehuduan2_fd);
}
void my_recvmsg(int shoudaozijieshu,int kehuduan2_fd,char *buf) //接收信息函数{
memset(buf,0,sizeof(buf));
if((shoudaozijieshu=recv(kehuduan2_fd,buf,MAXDATASIZE,0))==-1)
{
perror("recv");
exit(1);
}
else
{
printf("%s\n",buf);
}
}。