嵌入式Linux网络编程之：网络基础编程

在Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的。人们常说的socket是一种特殊的I/O接口，它也是一种文件描述符。socket是一种常用的进程之间通信机制，通过它不仅能实现本地机器上的进程之间的通信，而且通过网络能够在不同机器上的进程之间进行通信。

每一个socket都用一个半相关描述{协议、本地地址、本地端口}来表示；一个完整的套接字则用一个相关描述{协议、本地地址、本地端口、远程地址、远程端口}来表示。socket也有一个类似于打开文件的函数调用，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socket来实现的。

常见的socket有3种类型如下。

（1）流式socket（SOCK_STREAM）。

流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流；它使用TCP协议，从而保证了数据传输的正确性和顺序性。

（2）数据报socket（SOCK_DGRAM）。

数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议UDP。

（3）原始socket。

原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP进行直接访问，它功能强大但使用较为不便，主要用于一些协议的开发。

（1）数据结构介绍。

下面首先介绍两个重要的数据类型：sockaddr和sockaddr_in，这两个结构类型都是用来保存socket信息的，如下所示：

structsockaddr

{

unsignedshortsa_family;/*地址族*/

charsa_data[14];/*14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号。*/

};

structsockaddr_in

{

shortintsa_family;/*地址族*/

unsignedshortintsin_port;/*端口号*/

structin_addrsin_addr;/*IP地址*/

unsignedcharsin_zero[8];/*填充0以保持与structsockaddr同样大小*/

};

这两个数据类型是等效的，可以相互转化，通常sockaddr_in数据类型使用更为方便。在建立socketadd或sockaddr_in后，就可以对该socket进行适当的操作了。

（2）结构字段。

表10.1列出了该结构sa_family字段可选的常见值。

表10.1

结构定义头文件

#include<netinet/in.h>

sa_family

AF_INET：IPv4协议

AF_INET6：IPv6协议

AF_LOCAL：UNIX域协议

AF_LINK：链路地址协议

AF_KEY：密钥套接字（socket）

sockaddr_in其他字段的含义非常清楚，具体的设置涉及其他函数，在后面会有详细的讲解。

（1）函数说明。

计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先（称为大端模式）和低位字节优先（称为小端模式，PC机通常采用小端模式）。Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，因此在有些情况下，需要对这两个字节存储优先顺序进行相互转化。这里用到了4个函数：htons()、ntohs()、htonl()和ntohl()。这4个地址分别实现网络字节序和主机字节序的转化，这里的h代表host，n代表network，s代表short，l代表long。通常16位的IP端口号用s代表，而IP地址用l来代表。

（2）函数格式说明。

表10.2列出了这4个函数的语法格式。

表10.2 htons等函数语法要点

所需头文件

#include<netinet/in.h>

函数原型

uint16_thtons(unit16_thost16bit)
uint32_thtonl(unit32_thost32bit)
uint16_tntohs(unit16_tnet16bit)
uint32_tntohs(unit32_tnet32bit)

函数传入值

host16bit：主机字节序的16位数据

host32bit：主机字节序的32位数据

net16bit：网络字节序的16位数据

net32bit：网络字节序的32位数据

函数返回值

成功：返回要转换的字节序

出错：-1

注意

调用该函数只是使其得到相应的字节序，用户不需清楚该系统的主机字节序和网络字节序是否真正相等。如果是相同不需要转换的话，该系统的这些函数会定义成空宏。

（1）函数说明。

通常用户在表达地址时采用的是点分十进制表示的数值（或者是以冒号分开的十进制IPv6地址），而在通常使用的socket编程中所使用的则是二进制值，这就需要将这两个数值进行转换。这里在IPv4中用到的函数有inet_aton()、inet_addr()和inet_ntoa()，而IPv4和IPv6兼容的函数有inet_pton()和inet_ntop()。由于IPv6是下一代互联网的标准协议，因此，本书讲解的函数都能够同时兼容IPv4和IPv6，但在具体举例时仍以IPv4为例。

这里inet_pton()函数是将点分十进制地址映射为二进制地址，而inet_ntop()是将二进制地址映射为点分十进制地址。

（2）函数格式。

表10.3列出了inet_pton函数的语法要点。

表10.3 inet_pton函数语法要点

所需头文件

#include<arpa/inet.h>

函数原型

intinet_pton(intfamily,constchar*strptr,void*addrptr)

函数传入值

family

AF_INET：IPv4协议

AF_INET6：IPv6协议

strptr：要转化的值

addrptr：转化后的地址

函数返回值

成功：0

出错：-1

表10.4列出了inet_ntop函数的语法要点。

表10.4 inet_ntop函数语法要点

所需头文件

#include<arpa/inet.h>

函数原型

intinet_ntop(intfamily,void*addrptr,char*strptr,size_tlen)

函数传入值

family

AF_INET：IPv4协议

AF_INET6：IPv6协议

函数传入值

addrptr：转化后的地址

strptr：要转化的值

len：转化后值的大小

函数返回值

成功：0

出错：-1

（1）函数说明。

通常，人们在使用过程中都不愿意记忆冗长的IP地址，尤其到IPv6时，地址长度多达128位，那时就更加不可能一次次记忆那么长的IP地址了。因此，使用主机名将会是很好的选择。在Linux中，同样有一些函数可以实现主机名和地址的转化，最为常见的有gethostbyname()、gethostbyaddr()和getaddrinfo()等，它们都可以实现IPv4和IPv6的地址和主机名之间的转化。其中gethostbyname()是将主机名转化为IP地址，gethostbyaddr()则是逆操作，是将IP地址转化为主机名，另外getaddrinfo()还能实现自动识别IPv4地址和IPv6地址。

gethostbyname()和gethostbyaddr()都涉及一个hostent的结构体，如下所示：

structhostent

{

char*h_name;/*正式主机名*/

char**h_aliases;/*主机别名*/

inth_addrtype;/*地址类型*/

inth_length;/*地址字节长度*/

char**h_addr_list;/*指向IPv4或IPv6的地址指针数组*/

}

调用gethostbyname()函数或gethostbyaddr()函数后就能返回hostent结构体的相关信息。

getaddrinfo()函数涉及一个addrinfo的结构体，如下所示：

structaddrinfo

{

intai_flags;/*AI_PASSIVE,AI_CANONNAME;*/

intai_family;/*地址族*/

intai_socktype;/*socket类型*/

intai_protocol;/*协议类型*/

size_tai_addrlen;/*地址字节长度*/

char*ai_canonname;/*主机名*/

structsockaddr*ai_addr;/*socket结构体*/

structaddrinfo*ai_next;/*下一个指针链表*/

}

hostent结构体而言，addrinfo结构体包含更多的信息。

（2）函数格式。

表10.5列出了gethostbyname()函数的语法要点。

表10.5 gethostbyname函数语法要点

所需头文件

#include<netdb.h>

函数原型

structhostent*gethostbyname(constchar*hostname)

函数传入值

hostname：主机名

函数返回值

成功：hostent类型指针

出错：-1

调用该函数时可以首先对hostent结构体中的h_addrtype和h_length进行设置，若为IPv4可设置为AF_INET和4；若为IPv6可设置为AF_INET6和16；若不设置则默认为IPv4地址类型。

表10.6列出了getaddrinfo()函数的语法要点。

表10.6 getaddrinfo()函数语法要点

所需头文件

#include<netdb.h>

函数原型

intgetaddrinfo(constchar*node,constchar*service,conststructaddrinfo*hints,structaddrinfo**result)

函数传入值

node：网络地址或者网络主机名

service：服务名或十进制的端口号字符串

hints：服务线索

result：返回结果

函数返回值

成功：0

出错：-1

在调用之前，首先要对hints服务线索进行设置。它是一个addrinfo结构体，表10.7列举了该结构体常见的选项值。

表10.7 addrinfo结构体常见选项值

结构体头文件

#include<netdb.h>

ai_flags

AI_PASSIVE：该套接口是用作被动地打开

AI_CANONNAME：通知getaddrinfo函数返回主机的名字

ai_family

AF_INET：IPv4协议

AF_INET6：IPv6协议

AF_UNSPEC：IPv4或IPv6均可

ai_socktype

SOCK_STREAM：字节流套接字socket（TCP）

SOCK_DGRAM：数据报套接字socket（UDP）

ai_protocol

IPPROTO_IP：IP协议

IPPROTO_IPV4：IPv4协议

4

IPv4

IPPROTO_IPV6：IPv6协议

IPPROTO_UDP：UDP

IPPROTO_TCP：TCP

注意

（1）通常服务器端在调用getaddrinfo()之前，ai_flags设置AI_PASSIVE，用于bind()函数（用于端口和地址的绑定，后面会讲到），主机名nodename通常会设置为NULL。

（2）客户端调用getaddrinfo()时，ai_flags一般不设置AI_PASSIVE，但是主机名nodename和服务名servname（端口）则应该不为空。

（3）即使不设置ai_flags为AI_PASSIVE，取出的地址也可以被绑定，很多程序中ai_flags直接设置为0，即3个标志位都不设置，这种情况下只要hostname和servname设置的没有问题就可以正确绑定。

（3）使用实例。

下面的实例给出了getaddrinfo函数用法的示例，在后面小节中会给出gethostbyname函数用法的例子。

/*getaddrinfo.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>

intmain()

{

structaddrinfohints,*res=NULL;

intrc;

memset(&hints,0,sizeof(hints));

/*设置addrinfo结构体中各参数*/

hints.ai_flags=AI_CANONNAME;

hints.ai_family=AF_UNSPEC;

hints.ai_socktype=SOCK_DGRAM;

hints.ai_protocol=IPPROTO_UDP;

/*调用getaddinfo函数*/

rc=getaddrinfo("localhost",NULL,&hints,&res);

if(rc!=0)

{

perror("getaddrinfo");

exit(1);

}

else

{

printf("Hostnameis%sn",res->ai_canonname);

}

exit(0);

}

（1）函数说明。

socket编程的基本函数有socket()、bind()、listen()、accept()、send()、sendto()、recv()以及recvfrom()等，其中根据客户端还是服务端，或者根据使用TCP协议还是UDP协议，这些函数的调用流程都有所区别，这里先对每个函数进行说明，再给出各种情况下使用的流程图。

n socket()：该函数用于建立一个socket连接，可指定socket类型等信息。在建立了socket连接之后，可对sockaddr或sockaddr_in结构进行初始化，以保存所建立的socket地址信息。

n bind()：该函数是用于将本地IP地址绑定到端口号，若绑定其他IP地址则不能成功。另外，它主要用于TCP的连接，而在UDP的连接中则无必要。

n listen()：在服务端程序成功建立套接字和与地址进行绑定之后，还需要准备在该套接字上接收新的连接请求。此时调用listen()函数来创建一个等待队列，在其中存放未处理的客户端连接请求。

n accept()：服务端程序调用listen()函数创建等待队列之后，调用accept()函数等待并接收客户端的连接请求。它通常从由bind()所创建的等待队列中取出第一个未处理的连接请求。

n connect()：该函数在TCP中是用于bind()的之后的client端，用于与服务器端建立连接，而在UDP中由于没有了bind()函数，因此用connect()有点类似bind()函数的作用。

n send()和recv()：这两个函数分别用于发送和接收数据，可以用在TCP中，也可以用在UDP中。当用在UDP时，可以在connect()函数建立连接之后再用。

n sendto()和recvfrom()：这两个函数的作用与send()和recv()函数类似，也可以用在TCP和UDP中。当用在TCP时，后面的几个与地址有关参数不起作用，函数作用等同于send()和recv()；当用在UDP时，可以用在之前没有使用connect()的情况下，这两个函数可以自动寻找指定地址并进行连接。

服务器端和客户端使用TCP协议的流程如图10.6所示。

服务器端和客户端使用UDP协议的流程如图10.7所示。

图10.6使用TCP协议socket编程流程图图10.7使用UDP协议socket编程流程图

（2）函数格式。

表10.8列出了socket()函数的语法要点。

表10.8 socket()函数语法要点

所需头文件

#include<sys/socket.h>

函数原型

intsocket(intfamily,inttype,intprotocol)

函数传入值

family：

协议族

AF_INET：IPv4协议

AF_INET6：IPv6协议

AF_LOCAL：UNIX域协议

AF_ROUTE：路由套接字（socket）

AF_KEY：密钥套接字（socket）

type：

套接字类型

SOCK_STREAM：字节流套接字socket

SOCK_DGRAM：数据报套接字socket

SOCK_RAW：原始套接字socket

protoco：0（原始套接字除外）

函数返回值

成功：非负套接字描述符

出错：-1

表10.9列出了bind()函数的语法要点。

表10.9 bind()函数语法要点

所需头文件

#include<sys/socket.h>

函数原型

intbind(intsockfd,structsockaddr*my_addr,intaddrlen)

函数传入值

socktd：套接字描述符

my_addr：本地地址

addrlen：地址长度

函数返回值

成功：0

出错：-1

端口号和地址在my_addr中给出了，若不指定地址，则内核随意分配一个临时端口给该应用程序。

表10.10列出了listen()函数的语法要点。

表10.10 listen()函数语法要点

所需头文件

#include<sys/socket.h>

函数原型

intlisten(intsockfd,intbacklog)

函数传入值

socktd：套接字描述符

backlog：请求队列中允许的最大请求数，大多数系统缺省值为5

函数返回值

成功：0

出错：-1

表10.11列出了accept()函数的语法要点。

表10.11 accept()函数语法要点

所需头文件

#include<sys/socket.h>

函数原型

intaccept(intsockfd,structsockaddr*addr,socklen_t*addrlen)

函数传入值

socktd：套接字描述符

addr：客户端地址

addrlen：地址长度

函数返回值

成功：0

出错：-1

表10.12列出了connect()函数的语法要点。

表10.12 connect()函数语法要点

所需头文件

#include<sys/socket.h>

函数原型

intconnect(intsockfd,structsockaddr*serv_addr,intaddrlen)

函数传入值

socktd：套接字描述符

serv_addr：服务器端地址

addrlen：地址长度

函数返回值

成功：0

出错：-1

表10.13列出了send()函数的语法要点。

表10.13 send()函数语法要点

所需头文件

#include<sys/socket.h>

函数原型

intsend(intsockfd,constvoid*msg,intlen,intflags)

函数传入值

socktd：套接字描述符

msg：指向要发送数据的指针

len：数据长度

flags：一般为0

函数返回值

成功：发送的字节数

出错：-1

表10.14列出了recv()函数的语法要点。

表10.14 recv()函数语法要点

所需头文件

#include<sys/socket.h>

函数原型

intrecv(intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags)

函数传入值

socktd：套接字描述符

buf：存放接收数据的缓冲区

len：数据长度

flags：一般为0

函数返回值

成功：接收的字节数

出错：-1

表10.15列出了sendto()函数的语法要点。

表10.15 sendto()函数语法要点

所需头文件

#include<sys/socket.h>

函数原型

intsendto(intsockfd,constvoid*msg,intlen,unsignedintflags,conststructsockaddr*to,inttolen)

函数传入值

socktd：套接字描述符

msg：指向要发送数据的指针

len：数据长度

flags：一般为0

to：目地机的IP地址和端口号信息

tolen：地址长度

函数返回值

成功：发送的字节数

出错：-1

表10.16列出了recvfrom()函数的语法要点。

表10.16 recvfrom()函数语法要点

所需头文件

#include<sys/socket.h>

函数原型

intrecvfrom(intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags,structsockaddr*from,int*fromlen)

函数传入值

socktd：套接字描述符

buf：存放接收数据的缓冲区

len：数据长度

flags：一般为0

from：源主机的IP地址和端口号信息

tolen：地址长度

函数返回值

成功：接收的字节数

出错：-1

（3）使用实例。

该实例分为客户端和服务器端两部分，其中服务器端首先建立起socket，然后与本地端口进行绑定，接着就开始接收从客户端的连接请求并建立与它的连接，接下来，接收客户端发送的消息。客户端则在建立socket之后调用connect()函数来建立连接。

服务端的代码如下所示：

/*server.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>

#definePORT4321

#defineBUFFER_SIZE1024

#defineMAX_QUE_CONN_NM5

intmain()

{

structsockaddr_inserver_sockaddr,client_sockaddr;

intsin_size,recvbytes;

intsockfd,client_fd;

charbuf[BUFFER_SIZE];

/*建立socket连接*/

if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)

{

perror("socket");

exit(1);

}

printf("Socketid=%dn",sockfd);

/*设置sockaddr_in结构体中相关参数*/

server_sockaddr.sin_family=AF_INET;

server_sockaddr.sin_port=htons(PORT);

server_sockaddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;

bzero(&(server_sockaddr.sin_zero),8);

inti=1;/*允许重复使用本地地址与套接字进行绑定*/

setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&i,sizeof(i));

/*绑定函数bind()*/

if(bind(sockfd,(structsockaddr*)&server_sockaddr,

sizeof(structsockaddr))==-1)

{

perror("bind");

exit(1);

}

printf("Bindsuccess!n");

/*调用listen()函数，创建未处理请求的队列*/

if(listen(sockfd,MAX_QUE_CONN_NM)==-1)

{

perror("listen");

exit(1);

}

printf("Listening....n");

/*调用accept()函数，等待客户端的连接*/

if((client_fd=accept(sockfd,

(structsockaddr*)&client_sockaddr,&sin_size))==-1)

{

perror("accept");

exit(1);

}

/*调用recv()函数接收客户端的请求*/

memset(buf,0,sizeof(buf));

if((recvbytes=recv(client_fd,buf,BUFFER_SIZE,0))==-1)

{

perror("recv");

exit(1);

}

printf("Receivedamessage:%sn",buf);

close(sockfd);

exit(0);

}

客户端的代码如下所示：

/*client.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>

#definePORT4321

#defineBUFFER_SIZE1024

intmain(intargc,char*argv[])

{

intsockfd,sendbytes;

charbuf[BUFFER_SIZE];

structhostent*host;

structsockaddr_inserv_addr;

if(argc<3)

{

fprintf(stderr,"USAGE:./clientHostname(oripaddress)Textn");

exit(1);

}

/*地址解析函数*/

if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL)

{

perror("gethostbyname");

exit(1);

}

memset(buf,0,sizeof(buf));

sprintf(buf,"%s",argv[2]);

/*创建socket*/

if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)

{

perror("socket");

exit(1);

}

/*设置sockaddr_in结构体中相关参数*/

serv_addr.sin_family=AF_INET;

serv_addr.sin_port=htons(PORT);

serv_addr.sin_addr=*((structin_addr*)host->h_addr);

bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);

/*调用connect函数主动发起对服务器端的连接*/

if(connect(sockfd,(structsockaddr*)&serv_addr,

sizeof(structsockaddr))==-1)

{

perror("connect");

exit(1);

}

/*发送消息给服务器端*/

if((sendbytes=send(sockfd,buf,strlen(buf),0))==-1)

{

perror("send");

exit(1);

}

close(sockfd);

exit(0);

}

在运行时需要先启动服务器端，再启动客户端。这里可以把服务器端下载到开发板上，客户端在宿主机上运行，然后配置双方的IP地址，在确保双方可以通信（如使用ping命令验证）的情况下运行该程序即可。

$./server

Socketid=3

Bindsuccess!

Listening....

Receivedamessage:Hello,Server!

$./clientlocalhost(或者输入IP地址)Hello,Server!