linux网络编程系列(二)-socket套接字基本概念详解

1. 网络编程基本概念

1.1 什么是套接字

套接字，也叫socket，是操作系统内核中的一个数据结构，它是网络中的节点进行相互通信的门户。网络通信，说白了就是进程间的通信（同一台机器上不同进程或者不同计算机上的进程间通信）。

在网络中，每一台计算机或者路由都有一个网络地址，就是IP地址。两个进程通信时，首先要确定各自所在的网络节点的网络地址。但是，网络地址只能确定进程所在的计算机，而一台计算机上一般都是同时运行着多个进程，所以仅凭网络地址还不能确定到底是和网络中的哪一个进程进行通信，因此套接口中还需要包括其他的信息，比如端口号和协议。

1.2 端口号的概念

在网络的世界里，端口大致有两种：

• 一是物理意义上的端口，如交换机、路由器等用于连接其他网络设备的接口；
• 二是指TCP/IP协议族中的端口号；

端口号的范围从0-65535，分类如下：

• 一类是众所周知的，公用的端口号，其值一般为0~1024，例如http的端口号是80，ftp为21，ssh为22，telnet为23等；
• 一类是用户自己定义的，通常是大于1024并且小于65535的整型值；

1.3 ip地址的表示

通常我们在表达IP地址时习惯使用点分十进制表示的数值（或者是为冒号分开的十六进制Ipv6地址），而在socket编程中使用的则是二进制值，这就需要对这两个数值进行转换。

ipv4地址：32bit, 4字节，相当于一个整型，通常采用点分十进制记法，例如对于：10000000 00001011 00000111 00011111, 点分十进制表示为：128.11.7.31。

2. socket的概念

socket是一种特殊的I/O接口，它也是一种文件描述符。如第一节所说，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这个socket描述符来实现的。

2.1 socket类型

2.1.1 流式socket（SOCK_STREAM）

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

2.1.2 数据报socket（SOCK_DGRAM）

用于UDP通信，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，并且是不可靠的，它使用数据报协议UDP。

2.1.3 原始socket （SOCK_RAW）

用于新的网络协议实现的测试等，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，主要用于一些自定义协议的开发。

2.2 socket信息数据结构

//头文件<netinet/in.h> sockaddr和sockaddr_in大小一致
struct sockaddr
{
     unsigned short sa_family; /*地址族*/
     char sa_data[14]; /*14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号。*/
};
struct sockaddr_in
{
     short int sa_family; /*地址族 AF_INET IPv4协议 AF_INET6 IPv6协议*/
     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 in_addr
{
unsigned long int s_addr; /* 32位IPv4地址，网络字节序 */
};

2.3 数据存储字节序的转换

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）。

• 内存的低地址存储数据的低字节，高地址存储数据的高字节的方式叫小端模式；
• 内存的高地址存储数据的低字节，低地址存储数据高字节的方式称为大端模式；

eg，对于内存中存放的数0x12345678来说:

• 如果是采用大端模式存放的，则其真实的数是：0x12345678;
• 如果是采用小端模式存放的，则其真实的数是：0x78563412;

端口号和IP地址都是以网络字节序存储的，不是主机字节序，网络字节序都是大端模式，而主机字节序则一般都是小端模式(也有特殊的是大端模式，这里不考虑)。所以在网络连接过程中，要把主机字节序和网络字节序相互对应起来，需要对这两个字节存储顺序进行转换。

这里用到四个函数：htons(),ntohs(),htonl()和ntohl().这四个函数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。

#include <arpa/inet.h> 
uint32_t htonl(uint32_t hostlong); //将主机的无符号长整型数转换成网络字节序
uint16_t htons(uint16_t hostshort); //将主机的无符号短整形数转换成网络字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); //将一个无符号长整型数从网络字节序转换为主机字节序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort); //将一个无符号短整形数从网络字节序转换为主机字节序

2.4 IP地址格式转化

通常在表达地址时采用的是点分十进制表示的数值（或者是为冒号分开的十进制Ipv6地址），而在socket编程中使用的则是32位的网络字节序的二进制值，这就需要对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()。

2.4.1 IPv4的函数原型

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *straddr, struct in_addr *addrptr);
char *inet_ntoa(struct in_addr inaddr);
in_addr_t inet_addr(const char *straddr);

函数inet_aton()：将点分十进制数的IP地址转换成为网络字节序的32位二进制数值。返回值：成功，则返回1，不成功返回0.

• 参数straddr：存放输入的点分十进制数IP地址字符串。
• 参数addrptr：传出参数，保存网络字节序的32位二进制数值。

函数inet_ntoa()：将网络字节序的32位二进制数值转换为点分十进制的IP地址。

函数inet_addr()：功能与inet_aton相同，但是结果传递的方式不同。inet_addr()若成功则返回32位二进制的网络字节序地址。

2.4.2 IPv4和IPv6兼容的函数原型

#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int family, const char *src, void *dst);
const char *inet_ntop(int family, const void *src, char *dst, socklen_t len);

函数inet_pton跟inet_aton实现的功能类似，只是多了family参数，该参数指定为AF_INET，表示是IPv4协议，如果是AF_INET6，表示IPv6协议。

函数inet_ntop跟inet_ntoa类似，其中len表示表示转换之后的长度（字符串的长度）。

2.4.3 具体实现代码

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
int main()
{
  char ip[] = "192.168.0.101";
  struct in_addr myaddr;
 memset((void*)&myaddr, 0, sizeof(struct in_addr));
 /* inet_aton */
 int iRet = inet_aton(ip, &myaddr);
 if ( iRet == 1)
 {
   printf("%ld\n", myaddr.s_addr);
   /* inet_addr */
   printf("%x\n", inet_addr(ip));
 }
 else
 {
  printf("call inet_aton failed\n");
 }

 /* inet_pton */
 iRet = inet_pton(AF_INET, ip, &myaddr);
 if ( iRet == 1 )
 {
  printf("%x\n", myaddr.s_addr);
 }
 else
 {
  printf("call inet pton failed\n");
 }
 myaddr.s_addr = 0xac100ac4;
 /* inet_ntoa */
 printf("%s\n", inet_ntoa(myaddr));
 /* inet_ntop */
 inet_ntop(AF_INET, &myaddr, ip, 16);
 puts(ip);
 return 0;
}

3. 域名与IP地址的对应关系

一般来讲，我们在上网的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性记忆那么长的IP地址了。我们一般记住的，都是这个网站的域名地址。

大家都知道，百度的域名为：www.baidu.com，而这个域名其实对应了一个百度公司的IP地址，那么百度公司的IP地址是多少呢？

我们可以利用ping www.baidu.com来得到百度公司的ip地址。那么，系统是如何将www.baidu.com 这个域名转化为IP地址的呢？

在linux中，最常用的是gethostbyname()和gethostbyaddr()，它们都可以实现IPv4/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。

函数原型：

#include <netdb.h>
struct hostent* gethostbyname(const char* hostname);
struct hostent* gethostbyaddr(const char* addr, size_t len, int family);
结构体：
struct hostent
{
     char *h_name; /*正式主机名*/
     char **h_aliases; /*主机别名*/
     int h_addrtype; /*主机IP地址类型 IPv4为AF_INET*/
     int h_length; /*主机IP地址字节长度，对于IPv4是4字节，即32位*/
     char **h_addr_list; /*主机的IP地址列表*/
}
#define h_addr h_addr_list[0] /*保存的是ip地址*/

• gethostbyname()：用于将域名（www.baidu.com）或主机名转换为IP地址。参数hostname指向存放域名或主机名的字符串。
• gethostbyaddr()：用于将IP地址转换为域名或主机名。参数addr是一个IP地址，此时这个ip地址不是普通的字符串，而是要通过函数inet_aton()转换。len为IP地址的长度，AF_INET为4。family可用AF_INET：Ipv4或AF_INET6：Ipv6。

Example：

//test.cpp 将百度的www.baidu.com 转换为ip地址
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(int argc, char **argv)
{
 char *ptr, **pptr;
 struct hostent *hptr = NULL;
 char str[32] = {0};
 if ( argc < 2 )
 {
  printf("please input an addr,eg:./a.out www.baidu.com\n");
  return 0;
 }
 /* 取得命令后第一个参数，即要解析的域名或主机名 */
 ptr = argv[1];
 /* 调用gethostbyname()。结果存在hptr结构中 */
 if((hptr = gethostbyname(ptr)) == NULL)
 {
  printf("gethostbyname error for host:%s\n", ptr);
  return 0;
 }
 else
 {
  /* 将主机的规范名打出来 */
  printf("official hostname:%s\n", hptr->h_name);
 }
 /* 主机可能有多个别名，将所有别名分别打出来 */
 for(pptr = hptr->h_aliases; *pptr != NULL; pptr++)
  printf("alias:%s\n", *pptr);
 /* 根据地址类型，将地址打出来 */
 switch(hptr->h_addrtype)
 {
  case AF_INET:
  case AF_INET6:
   pptr = hptr->h_addr_list;
   /* 将刚才得到的所有地址都打出来。其中调用了inet_ntop()函数 */
   for(; *pptr!=NULL; pptr++ )
   {
    printf("address:%s\n", inet_ntop(hptr->h_addrtype, *pptr, str, sizeof(str)));
   }
   printf("first address: %s\n", inet_ntop(hptr->h_addrtype, hptr->h_addr, str, sizeof(str)));
   break;
  default:
   printf("unknown address type\n");
   break;
 }
 return 0;
}

编译运行
g++ test.cpp
./a.out www.baidu.com

official hostname:www.a.shifen.com
alias:www.baidu.com
address:14.215.177.39
address:14.215.177.38
first address: 14.215.177.39