海闊天空

http://fanqiang.chinaunix.net/a4/b7/20010810/1200001101.html

Linux是一個可靠性非常高的操作系統，但是所有用過Linux的朋友都會感 覺到， Linux和Windows這樣的"傻瓜"操作系統（這里絲毫沒有貶低Windows的意思，相反這應該是Windows的優點）相比，后者無疑在易操作 性上更勝一籌。但是為什么又有那么多的愛好者鐘情于Linux呢，當然自由是最吸引人的一點，另外Linux強大的功能也是一個非常重要的原因，尤其是 Linux強大的網絡功能更是引人注目。放眼今天的WAP業務、銀行網絡業務和曾經紅透半邊天的電子商務，都越來越倚重基于Linux的解決方案。因此 Linux網絡編程是非常重要的，而且當我們一接觸到Linux網絡編程，我們就會發現這是一件非常有意思的事情，因為以前一些關于網絡通信概念似是而非 的地方，在這一段段代碼面前馬上就豁然開朗了。在剛開始學習編程的時候總是讓人感覺有點理不清頭緒，不過只要多讀幾段代碼，很快我們就能體會到其中的樂趣 了。下面我就從一段Proxy源代碼開始，談談如何進行Linux網絡編程。

　 　首先聲明，這段源代碼不是我編寫的，讓我們感謝這位名叫Carl Harris的大蝦，是他編寫了這段代碼并將其散播到網上供大家學習討論。這段代碼雖然只是描述了最簡單的proxy操作，但它的確是經典，它不僅清晰地 描述了客戶機/服務器系統的概念，而且幾乎包括了Linux網絡編程的方方面面，非常適合Linux網絡編程的初學者學習。
這段Proxy程序的用法是這樣的，我們可以使用這個proxy登錄其它主機的服務端口。假如編譯后生成了名為Proxy的可執行文件，那么命令及其參數的描述為：
./Proxy <proxy_port> <remote_host> <service_port>
其中參數proxy_port是指由我們指定的代理服務器端口。參數remote_host是指我們希望連接的遠程主機的主機名，IP地址也同樣有 效。這個主機名在網絡上應該是唯一的，如果您不確定的話，可以在遠程主機上使用uname -n命令查看一下。參數service_port是遠程主機可提供的服務名，也可直接鍵入服務對應的端口號。這個命令的相應操作是將代理服務器的 proxy_port端口綁定到remote_host的service_port端口。然后我們就可以通過代理服務器的proxy_port端口訪問 remote_host了。例如一臺計算機，網絡主機名是legends，IP地址為10.10.8.221，如果在我的計算機上執行：
[root@lee /root]#./proxy 8000 legends telnet
那么我們就可以通過下面這條命令訪問legends的telnet端口。
-----------------------------------------------------------------
[root@lee /root]#telnet legends 8000
Trying 10.10.8.221...
Connected to legends(10.10.8.221).
Escape character is '^]'

Red Hat Linux release 6.2(Zoot)
Kernel 2.2.14-5.0 on an i686
Login:
-----------------------------------------------------------------
上面的綁定操作也可以使用下面的命令：
[root@lee /root]#./proxy 8000 10.10.8.221 23
23是telnet服務的標準端口號，其它服務的對應端口號我們可以在/etc/services中查看。

下面我就從這段代碼出發談談我對Linux網絡編程的一些粗淺的認識，不對的地方還請各位大蝦多多批評指正。

◆main()函數
-----------------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <netdb.h>
#define TCP_PROTO　　 "tcp"
int proxy_port;　　　 /* port to listen for proxy connections on */
struct sockaddr_in hostaddr;　　 /* host addr assembled from gethostbyname() */
extern int errno;　　 /* defined by libc.a */
extern char *sys_myerrlist[];
void parse_args (int argc, char **argv);
void daemonize (int servfd);
void do_proxy (int usersockfd);
void reap_status (void);
void errorout (char *msg);
/*This is my modification.
I'll tell you why we must do this later*/
typedef void Signal(int);
/****************************************************************
function: 　　　main
description: 　 Main level driver. After daemonizing the process, a socket is opened to listen for 　　　　　　　　connections on the proxy port, connections are accepted and children are spawned to 　　　　　　　　handle each new connection.
arguments: 　　 argc,argv you know what those are.
return value: 　none.
calls: 　　　　 parse_args, do_proxy.
globals: 　　　 reads proxy_port.
****************************************************************/
main (argc,argv)
int argc;
char **argv;
{
int clilen;
int childpid;
int sockfd, newsockfd;
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
parse_args(argc,argv);
/* prepare an address struct to listen for connections */
bzero((char *) &servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = proxy_port;
/* get a socket... */
if ((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0) {
fputs("failed to create server socket\r\n",stderr);
exit(1);
}
/* ...and bind our address and port to it */
if　　 (bind(sockfd,(struct sockaddr_in *) &servaddr,sizeof(servaddr)) < 0) {
fputs("faild to bind server socket to specified port\r\n",stderr);
exit(1);
}
/* get ready to accept with at most 5 clients waiting to connect */
listen(sockfd,5);
/* turn ourselves into a daemon */
daemonize(sockfd);
/* fall into a loop to accept new connections and spawn children */
while (1) {
/* accept the next connection */
clilen = sizeof(cliaddr);
newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr_in *) &cliaddr, &clilen);
if (newsockfd < 0 && errno == EINTR)
continue;
/* a signal might interrupt our accept() call */
else if (newsockfd < 0)
/* something quite amiss -- kill the server */
errorout("failed to accept connection");
/* fork a child to handle this connection */
if ((childpid = fork()) == 0) {
close(sockfd);
do_proxy(newsockfd);
exit(0);
}
/* if fork() failed, the connection is silently dropped -- oops! */
lose(newsockfd);
}
}
-----------------------------------------------------------------
上面就是Proxy源代碼的主程序部分，也許您在網上也曾經看到過這段代碼，不過細心的您會發現在上面這段代碼中我修改了兩個地方，都是在預編譯部分。一個地方是在定義外部字符型指針數組時，我將原代碼中的
extern char *sys_errlist[];
修改為
extern char *sys_myerrlist[];原因是在我的Linux環境下頭文件"stdio.h"已經對sys_errlist[]進行了如下定義：
extern __const char *__const sys_errlist[];
也許Carl Harris在94年編寫這段代碼時系統還沒有定義sys_errlist[]，不過現在我們不修改一下的話，編譯時系統就會告訴我們sys_errlist發生了定義沖突。
另外我添加了一個函數類型定義：
typedef void Sigfunc(int);
具體原因我將在后面向大家解釋。

套接字和套接字地址結構定義

這段主程序是一段典型的服務器程序。網絡通訊最重要的就是套接字的使用，在程序的一開始就對套接字描述符sockfd和newsockfd進行了定義。 接下來定義客戶機/服務器的套接字地址結構cliaddr和servaddr，存儲客戶機/服務器的有關通信信息。然后調用parse_args (argc,argv)函數處理命令參數。關于這個parse_args()函數我們待會兒再做介紹。

創建通信套接字

　　下面就是建立一個服務器的詳細過程。服務器程序的第一個操作是創建一個套接字。這是通過調用函數socket()來實現的。socket()函數的具體描述為：
-----------------------------------------------------------------
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
-----------------------------------------------------------------
參數domain指定套接字使用的協議族，AF_INET表示使用TCP/IP協議族，AF_UNIX表示使用Unix協議族，AF_ISO表示套接 字使用ISO協議族。type指定套接字類型，一般的面向連接通信類型（如TCP）設置為SOCK_STREAM，當套接字為數據報類型時，type應設 置為SOCK_DGRAM，如果是可以直接訪問IP協議的原始套接字則type應設置為SOCK_RAW。參數protocol一般設置為"0"，表示使 用默認協議。當socket()函數成功執行時，返回一個標志這個套接字的描述符，如果出錯則返回"-1"，并設置errno為相應的錯誤類型。

設置服務器套接字地址結構

在通常情況下，首先要將描述服務器信息的套接字地址結構清零，然后在地址結構中填入相應的內容，準備接受客戶機送來的連接建立請求。這個清零操作可以用 多種字節處理函數來實現，例如bzero()、bcopy()、memset()、memcpy()等，以字母"b"開始的兩個函數是和BSD系統兼容 的，而后面兩個是ANSI C提供的函數。這段代碼中使用的bzero()其描述為：
void bzero(void *s, int n);
函數的具體操作是將參數s指定的內存的前n個字節清零。memset()同樣也很常用，其描述為：
void *memset(void *s, int c, size_t n);
具體操作是將參數s指定的內存區域的前n個字節設置為參數c的內容。
下一步就是在已經清零的服務器套接字地址結構中填入相應的內容。Linux系統的套接字是一個通用的網絡編程接口，它應該支持多種網絡通信協議，每一 種協議都使用專門為自己定義的套接字地址結構（例如TCP/IP網絡的套接字地址結構就是struct sockaddr_in）。不過為了保持套接字函數調用參數的一致性，Linux系統還定義了一種通用的套接字地址結構：
-----------------------------------------------------------------
<linux/socket.h>
struct sockaddr
{
unsigned short sa_family; /* address type */
char sa_data[14]; /* protocol address */
}
-----------------------------------------------------------------
其中sa_family意指套接字使用的協議族地址類型，對于我們的TCP/IP網絡，其值應該是AF_INET，sa_data中存儲具體的協議地 址，不同的協議族有不同的地址格式。這個通用的套接字地址結構一般不用做定義具體的實例，但是常用做套接字地址結構的強制類型轉換，如我們經常可以看到這 樣的用法：
bind(sockfd,(struct sockaddr *) &servaddr,sizeof(servaddr))
用于TCP/IP協議族的套接字地址結構是sockaddr_in，其定義為：
-----------------------------------------------------------------
<linux/in.h>
struct in_addr
{
__u32 s_addr;
};
struct sochaddr_in
{
short int sin_family;
unsigned short int sin_port;
struct in_addr sin_addr;
/*This part has not been taken into use yet*/
nsigned char_ _ pad[_ _ SOCK_SIZE__- sizeof(short int) -sizeof(unsigned short int) - 　　　　　　sizeof(struct in_addr)];
};
#define sin_zero_ - pad
-----------------------------------------------------------------
其中sin_zero成員并未使用，它是為了和通用套接字地址struct sockaddr兼容而特意引入的。在編程時，一般都通過bzero()或是memset（）將其置零。其他成員的設置一般是這樣的：
servaddr.sin_family = AF_INET;
表示套接字使用TCP/IP協議族。
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
設置服務器套接字的IP地址為特殊值INADDR_ANY，這表示服務器愿意接收來自任何網絡設備接口的客戶機連接。htonl()函數的意思是將主機順序的字節轉換成網絡順序的字節。
servaddr.sin_port = htons(PORT);
設置通信端口號，PORT應該是我們已經定義好的。在本例中servaddr.sin_port = proxy_port;這是表示端口號是函數的返回值proxy_port。
另外需要說明的一點是，在本例中，我們并沒有看到在預編譯部分中包含有<linux/socket.h>和< linux/in.h>這兩個頭文件，那是因為這兩個頭文件已經分別被包含在<sys/types.h>和< sys/types.h>中了，而且后面這兩個頭文件是與平臺無關的，所以在網絡通信中一般都使用這兩個頭文件。

服務器公開地址

　　如果服務器要接受客戶機的連接請求，那么它必須先要在整個網絡上公開自己的地址。在設置了服務器的套接字地址結構之后，可以通過調用函數bind()綁定服務器的地址和套接字來完成公開地址的操作。函數bind()的詳細描述為：
-----------------------------------------------------------------
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, struct sockaddr *addr, int addrlen);
-----------------------------------------------------------------
參數sockfd是我們通過調用socket()創建的套接字描述符。參數addr是本機地址，參數addrlen是套接字地址結構的長度。函數執行成功時返回"0",否則返回"-1"，并設置errno變量為EADDRINUAER。
如果是服務器調用bind()函數，如果設置了套接字的IP地址為某個本地IP地址，那么這表示服務器只接受來自于這個IP地址的特定主機發出的連接 請求。不過一般情況下都是將IP地址設置為INADDR_ANY，以便接受所有網絡設備接口送來的連接請求。
客戶機一般是不會調用bind()函數的，因為客戶機在連接時不用指定自己的套接字地址端口號，系統會自動為客戶機選擇一個未用端口號，并且用本地 IP地址自動填充客戶機套接字地址結構中的相應項。但是在某些特定的情況下客戶機需要使用特定的端口號，例如Linux中的rlogin命令就要求使用保 留端口號，而系統是不能為客戶機自動分配保留端口號的，這就需要調用bind()來綁定一個保留端口號了。不過在一些特殊的環境下，這樣綁定特定端口號也 會帶來一些負面影響，如在HTTP服務器進入TIME_WAIT狀態后，客戶機如果要求再次與服務器建立連接，則服務器會拒絕這一連接請求。如果客戶機最 后進入TIME_WAIT狀態，則馬上再次執行bind（）函數時會返回出錯信息"-1"，原因是系統會認為同時有兩次連接綁定同一個端口。

轉換Listening套接字

接下來，服務器需要將我們剛才與IP地址和端口號完成綁定的套接字轉換成傾聽listening套接字。只有服務器程序才需要執行這一步操作。我們通過調用函數listen()實現這一操作。listen()的詳細描述為：
-----------------------------------------------------------------
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
-----------------------------------------------------------------
參數sockfd指定我們要求轉換的套接字描述符，參數backlog設置請求隊列的最大長度。函數listen()主要完成以下操作。
首先是將套接字轉換成傾聽套接字。因為函數socket()創建的套接字都是主動套接字，所以客戶機可以通過調用函數connect()來使用這樣的 套接字主動和服務器建立連接。而服務器的情況恰恰相反，服務器需要通過套接字接收客戶機的連接請求，這就需要一個"被動"套接字。listen()就可將 一個尚未連接的主動套接字轉換成為這樣的"被動"套接字，也就是傾聽套接字。在執行了listen()函數之后，服務器的TCP就由CLOSED變成 LISTEN狀態了。
另外listen()可以設置連接請求隊列的最大長度。雖然參數backlog的用法非常簡單，只是一個簡單的整數。但搞清楚請求隊列的含義對理解TCP 協議的通信過程建立非常重要。TCP協議為每個傾聽套接字實際上維護兩個隊列，一個是未完成連接隊列，這個隊列中的成員都是未完成3次握手的連接；另一個 是完成連接隊列，這個隊列中的成員都是雖然已經完成了3次握手，但是還未被服務器調用accept()接收的連接。參數backlog實際上指定的是這個 傾聽套接字完成連接隊列的最大長度。在本例中我們是這樣用的：listen(sockfd,5);表示完成連接隊列的最大長度為5。

接收連接

接下來我們在主程序中看到通過名為daemonize()的自定義函數創建一個守護進程，關于這個daemonize()以及守護進程的相關概念，我 們等一會兒再做詳細介紹。然后服務器程序進入一個無條件循環，用于監聽接收客戶機的連接請求。在此過程中如果有客戶機調用connect()請求連接，那 么函數accept()可以從傾聽套接字的完成連接隊列中接受一個連接請求。如果完成連接隊列為空，這個進程就睡眠。accept()的詳細描述為：
-----------------------------------------------------------------
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, int *addrlen);
-----------------------------------------------------------------
參數sockfd是我們轉換成功的傾聽套接字描述符；參數addr是一個指向套接字地址結構的指針，參數addrlen為一個整型指針。當函數成功執 行時，返回3個結果，函數返回一個新的套接字描述符，服務器可以通過這個新的套接字描述符和客戶機進行通信。參數addr所指向的套接字地址結構中將存放 客戶機的相關信息，addrlen指針將描述前述套接字地址結構的長度。在通常情況下服務器對這些信息不是很感興趣，因此我們經?？梢钥吹揭恍┰创a中將 accept()函數的后兩個參數都設置為NULL。不過在這段proxy源代碼中需要用到有關的客戶機信息，因此我們看到通過執行
newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr_in *) &cliaddr, &clilen);
將客戶機的詳細信息存放在地址結構cliaddr中。而proxy就通過套接字newsockfd與客戶機進行通信。值得注意的是這個返回的套接字描 述符與我們轉換的傾聽套接字是不同的。在一段服務器程序中，可以始終只用一個傾聽套接字來接收多個客戶機的連接請求；而如果我們要和客戶機建立一個實際的 連接的話，對每一個請求我們都需要調用accept()返回一個新的套接字。當服務器處理完畢客戶機的請求后，一定要將相應的套接字關閉；如果整個服務器 程序將要結束，那么一定要將傾聽套接字關閉。
如果accept()函數執行失敗，則返回"-1"，如果accept()函數阻塞等待客戶機調用connect()建立連接，進程在此時恰好捕捉到 信號，那么函數在返回"-1"的同時將變量errno的值設置為EINTR。這和accept()函數執行失敗是有區別的。因此我們在代碼中可以看到這樣 的語句：
-----------------------------------------------------------------
if (newsockfd < 0 && errno == EINTR)
continue;
/* a signal might interrupt our accept() call */
else if (newsockfd < 0)
/* something quite amiss -- kill the server */
errorout("failed to accept connection");
-----------------------------------------------------------------
可以看出程序在處理這兩種情況時操作是完全不同的，同樣是accept()返回"-1"，如果有errno == EINTR，那么系統將再次調用accept()接受連接請求，否則服務器進程將直接結束。