网络流程

嵌入式网络流程主讲：谭英柯[e-mail]：308314968二○一○年七月socket概念•在Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的。socket是一种特殊的I/O接口，它也是一种文件描述符。它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。（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。socket信息数据结构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*/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*/};数据存储优先顺序的转换•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）。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。这里用到了四个函数：htons()、ntohs()、htonl()和ntohl()。这四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。地址格式转化（1）•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()。地址格式转化（2）名字地址转化（1）•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。名字地址转化（2）-主要数据结构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*/}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*/}名字地址转化（3）名字地址转化（4）socket基础编程（1）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。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。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。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。socket基础编程（2）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。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。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。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。TCP协议的流程图socket服务器端closesend/sendtorecv/recvfromacceptlistenbindsocketcloserecv/recvfromsend/sendtoconnect客户端bindUDP协议的流程图socketclosesendrecvacceptlistensocketcloserecvsendconnectrecvfromsendtosendtorecvfrom或或或或socket()函数bind()函数、listen()函数accept()函数、connect()函数send()函数、recv()函数select()•使用fcntl()函数虽然可以实现非阻塞I/O或信号驱动I/O，但在实际使用时往往会对资源是否准备完毕进行循环测试，这样就大大增加了不必要的CPU资源的占用。在这里可以使用select()函数来解决这个问题，同时，使用select()函数还可以设置等待的时间，可以说功能更加强大。sendto()函数recvfrom()函数网络高级编程•在实际情况中，人们往往遇到多个客户端连接服务器端的情况。由于之前介绍的如connet()、recv()和send()等都是阻塞性函数，如果资源没有准备好，则调用该函数的进程将进入睡眠状态，这样就无法处理I/O多路复用的情况了。•本节给出了两种解决I/O多路复用的解决方法，这两个函数都是之前学过的fcntl()和select()。fcntl()•函数fcntl()针对socket编程提供了如下的编程特性。非阻塞I/O：可将cmd设置为F_SETFL，将lock设置为O_NONBLOCK。异步I/O：可将cmd设置为F_SETFL，将lock设置为O_ASYNC。