2 本文尚未完成, 僅供中央機械網管使用!! 要公開也等我寫完吧 G Exploring Socket Programming Prefect 聽說, 鳥人超強. Who Should Read This Book? 本書適合想要實作 Winsock 程式的 Programmer 閱讀這本書的原則

Size: px

Start display at page:

Download "2 本文尚未完成, 僅供中央機械網管使用!! 要公開也等我寫完吧 G Exploring Socket Programming Prefect 聽說, 鳥人超強. Who Should Read This Book? 本書適合想要實作 Winsock 程式的 Programmer 閱讀這本書的原則"

社詹
5 years ago
Views:

1 2 本文尚未完成, 僅供中央機械網管使用!! 要公開也等我寫完吧 G Prefect 聽說, 鳥人超強. Who Should Read This Book? 本書適合想要實作 Winsock 程式的 Programmer 閱讀這本書的原則是 : 1. 以實作為主, 廢話哈啦很少 2. 章節內容以講解每章主題範例程式為主, 因此 Code 會佔很重份量 3. 討論實際設計 Winsock 程式容易遇到的問題 ( 精選了一些 Winsock FAQ) 因為本書設定為 Winsock 主題, 所以我已經假設正在讀本文的你具備下列 background : 已有寫 C 的能力 ( 這是廢話吧 ) 已有 Win32 SDK Programming 經驗最好的話對 Win32 系統機制有一些概念, 例如 Process, Threads, Synchronous Mechanism, Event Driven, Overlapped I/O IP, TCP/UDP 的基本概念不過 ~ 還不熟也沒關係, 有聽過就好你也可以在看本書時, 一邊複習其他書 Thanks Copyright Jeremy Chiu 2001, Taiwan. Jeremy.chiu@msa.hinet.net All rights reserved. June 26, 2001

3 4 第 1 章 Introduction to Socket and TCP/IP 這開始的第一章主要是介紹 Socket 的概念, 還有跟 Socket 有相關的 TCP/IP 知識背景, 為後面的幾章做一個暖身運動要寫好一個網路程式需要相當多的網路知識, 否則只會幾個 Socket APIs 想要寫出有效率的網路程式是十分困難的, 因為許多的

1 Introduction to TCP/IP 要講起網路故事, 還真的是長的說不完壓 ( 話如果要講透支, 眼淚就撥不離壓 ) TCP/IP, 它的全名是 Transmission Control Protocol/Internet Protocol, 這個通訊協定是由 Internet Engineering Task Force 發展出來,

2 3 4 第 1 章 Introduction to Socket and TCP/IP 這開始的第一章主要是介紹 Socket 的概念, 還有跟 Socket 有相關的 TCP/IP 知識背景, 為後面的幾章做一個暖身運動要寫好一個網路程式需要相當多的網路知識, 否則只會幾個 Socket APIs 想要寫出有效率的網路程式是十分困難的, 因為許多的 Socket APIs 所具有的特性跟限制都與下層的 TCP/IP 有著密不可分的關係網路的概念有了, 寫起 Socket 程式自然是水到渠成 1.1 Introduction to TCP/IP 要講起網路故事, 還真的是長的說不完壓 ( 話如果要講透支, 眼淚就撥不離壓 ) TCP/IP, 它的全名是 Transmission Control Protocol/Internet Protocol, 這個通訊協定是由 Internet Engineering Task Force 發展出來, 而且被廣為應用在網路各地電腦, 舉凡 , http, ftp, BBS 等等的網路應用早已入侵我們的生活, 而變得理所當然 ( 續待 ) 其中底層的 IP( Internet Protocol) 通訊協定, 主要的任務是定址網路上各個異質網路上的主機, 給於編號, 稱為 IP Address ( 註 1) 而在 IP 層之上的便是 TCP 與 UDP TCP : UDP : 1.2 OSI 架構與 TCP/IP 關係 OSI 即是 Open System Interconnect, 由 ISO 組織提出,OSI 把網路分層分成 7 層概念下圖是 OSI 網路模型跟 TCP/IP 之間的對應圖

3 Unix 與 Berkeley Socket 第 2 章 BSD Socket Programming 啦啦啦.. 鳥人萬歲! 1.4 Client-Server Model Client-Server 是一個很常見的網路程式工作模式網路上的 Server 是一直等待 Client 來連上線來, 並根據 Client 的要求給於服務, 因此在這個架構中 Client 是扮演一個主動連線的角色, 而 Server 則為一個被動的服務提供者本章主要講的是標準的 BSD Socket 程式, 畢竟 Windows 上的 Socket 界面就是從 BSD Socket 改良過去的, 使之能夠跟 Win32 系統的一些特性配合, 如 Event Driven, Overlapped I/O, Threads 因此, 為了簡化複雜度, 讓我們能夠把重點放在 Socket Programming 上, 所以先將 platform 鎖定在 Unix 上, 以 BSD Socket 為主, 藉此也可以讓各位看官在讀到後面幾章時, 順便可以比較一下 Winsock 與 BSD Socket 同異之處注意, 本章的 Socket 是以 TCP 為主! 2.1 What is the Socket like? Client 要求服務 Client Server Server 回應 Client-Server Model 這樣的例子在我們常用的網路程式十分常見, 例如 FTP Server 跟 FTP Client 的關係,Web Server 跟 Browser 程式的關係等等不過注意看一下, 你會發現其實有很多網路程式, 實際上通常扮演 Client, Server 兩個角色, 因為他們不但是在等 Client 連上來, 而且也會去連其他的 Server BSD 的把 TCP 跟 UDP 等 protocol 包裝成了 BSD Socket 界面, 所以在 Programmer 眼中 Socket 不過是一堆網路函示中在用的 Descriptor 而已但是,Socket 所表現的不只是個 Descriptor 而已, 它還代表了一個連線 (Session) 的兩端所使用的窗口藉由這個窗口 (Socket) 可以讓應用程式跟網路連線的另一端溝通我們已經知道了,Socket 包裝了 TCP 和 UDP, 既然有 TCP/UDP, 那就表示它至少含有兩項資訊.. Port Number 跟 IP Address 因為 TCP/UDP 屬於 IP 通訊協定, 故必然有 IP Address, 再者因為到了 TCP/UDP 層, 所以也會有 Port 等兩項資訊在一個 Socket 中下圖是 Socket 結構意示圖 [ Socket ] 通訊協定 Local IP Local Port Remote IP Remote Port 每一個 Socket 都有 5 項欄位由上圖, 我們可以知道, 既然有這 5 個欄位, 所以透過這一個建立好的

4 7 8 Socket, 程式可以將資料送到連線的另一端電腦, 也可以從這個 Socket 接收對方送來的資料但是要建立一個 Socket, 在 Client 及 Server 程式中並不一樣, 所以兩者程式程式的寫法也就不一樣, 下一章會就 Client 及 Server 的寫法做一個詳細介紹 2.2 概觀 Client, Server 程式上一節, 提到了 Socket 所扮演的角色以及它的擁有的資料結構, 在這一節中, 我要開始真正的產生並建立一個 Socket( 以 Stream Socket), 並且帶各位看倌來瀏覽一遍 Client-Server 程式的結構講了這麼多, 都還沒介紹到 Socket 的函示呢! 一個基本 Server 程式會用到的 Socket APIs 有 socket(), bind(), listen(), accept(), recv(), send(), close() 等 Socket 函示, 其中 listen() 跟 accept() 是 Server 程式才會有的, 而剩下的函示則 Client 及 Server 都有 1. socket() 產生一個新的 socket 2. bind() 為新的 socket 指定 local IP 及 Port 3. listen() 使 socket 進入等待 Client 連接要求狀態 4. accept() 接受 Client 連線要求建立 scoket 欄位中的 remote IP,Port 5. recv() 接收對方資料 6. send() 傳送資料給對方 7. close() 關閉 Socket 接下來是 Client 程式中會用到的 Socket APIs 有 socket(), bind(), connect(), recv(), send(), close() 不過在 Client 程式裡, 是可以不用 bind() 這個函示的因為會使用到的 Socket APIs 比較少, 引此總體而言 Client 程式是比較好寫的讓我們先來看看 Server 的部份, 一一介紹每個 Socket 函示的用法, 還有注意的地方 1. 建立一個 Socket int socket( int domain, int type, int protocol ); 這是第一個 Socket 函示, 用它來產生往後要通訊用的 Socket Descriptor [ Socket ] * 通訊協定 * Local IP Local Port Remote IP Remote Port 呼叫 socket() 函式後, 產生一個新的 Socket, 並且指定通訊協定 socket() 的第一個參數 domain 是指定要使用的的網域形態或是位址形態, 在整篇文章裡全都是 AF_INET 也就是普通 Internet 的位址第二個參數 type 是指定要使用何種通訊方式, 有兩種可以選擇 SOCKET_STREAM 這種通訊連接方式也稱為 Virtual Circuit Stream 對應的是 TCP 通訊協定, 是一種 Connection-oriented style, 提供了幾個性質 Tow-way, reliable, sequenced (FIFO), full-duplex 資料必須等到 Connection 建立後才可以傳送, 一但建立必須等到 Disconnection 後才結束 SOCKET_DGRAM 這種通訊方式又稱 Datagrams, 是來傳送不連續的資料封包 Datagrams 跟 Stream 最大的不同就是它不保證資料能順序的送到對方主機, 連且也不一定送的到 (unreliable), 此外也不用建立 Connection 因此這種方式是對應 UDP 通訊協定而第三個參數 protocol 是指 socket 所對應的傳輸協定編號這個參數只要給 0 就可以, 系統就會自動幫你設定傳回值 : 如果成功傳回 Socket Descriptor, 為非負數值如果 socket() 失敗則傳回 -1, 錯誤訊息在 errno 裡 ( 在 Winsock 中是以 WSAGetLastError() 來取得錯誤代碼 ) 2. 為 Socket 命名 socket() bind() listen() accept() send/recv close() int bind(int socket, const struct sockaddr* name, int addrlen);

5 9 10 我們在第一個步驟中用 socket() 產生了一個新的 Socket, 但是裡面的 5 個欄位還是空的, 尚未指定因此, 這裡的 bind() 就是用來設定 socket 名稱 [ Socket ] * 通訊協定 * Local IP Local Port Remote IP Remote Port socket() bind() listen() accept() send/recv close() bind() 的功用是設定了 Socket 的本機 IP 跟 Port, 注意, 此時 Scoket 尚未建立完成, 還有 Remote IP 跟 Port 未設定如果本機的 Port 已經先被其他程式先使用了, 那麼 bind() 就會失敗 bind() 需要 sockaddr* name 這樣的一個參數來設定 Local IP 跟 Local struct sockaddr{ u_short sa_family; // address family char sa_data[14]; // 位址內容 ( 未定義 ) } Port,sockaddr 的結構如下上面這個 sockaddr struct 只是一個位址結構的基本型態, 是為了擴充成各個協定之用, 所以有一個 char sa_data[14] 欄位是給其他協定自行定義而在 Internet 中是用 AF_INET, 因此, 下面就是 AF_INET 用的 sockaddr 結構 struct sockaddr_in{ short sin_family; // 通常是 AF_INET u_short sin_port; // Port number struct in_addr sin_addr // IP address char sin_zero[8] // reserved } 上述結構名稱是 sockaddr_in, 因為屬於 Internet 協定, 所以才有 in 的字尾要注意的是, 在這個 Struct 中多定義了 2 項欄位,Port number 跟 IP Address, 而在 IP Address 這項又是一個 Struct in_addr, 希望你不要眼花才好 ;p 接下來就是 in_addr 的內容 : struct in_addr{ union{ struct{ u_char s_b1,s_b2,s_b3,s_b4;} S_un_b; struct{ u_short s_w1,s_w2;} S_un_w; u_long S_addr; } S_un; } #define s_addr S_un.S_addr 這看起來更複雜了不過你可以想成 in_addr 裡面就只有一個 u_long, 一個 32 位元的數值來表示一個 IP 拉拉雜雜地講了一堆結構, 一堆位址, 一定有人現在一團混亂 ccc 不過, 只要看個例子, 馬上會用 bind()! 反正到頭來你只想透過 bind() 來設定 Local IP 跟 Port struct sockaddr_in name; name.sin_family = AF_INET; name.sin_port = htons(5000); name.sin_addr.s_addr = inet_addr( ); bind(sock,(struct sockaddr *)&name, sizeof (name) ); 說明一下,htons() 是將數字轉換成網路位元排列, 而 inet_addr() 則是將 IP 字串轉成 32-bit 無號整數, 這兩個小函示在 Socket 程式中很好用如果程式不在乎 Local IP, 可以在 name.sin_addr.s_addr 填入 INADDR_ANY 不在乎 Port 的話可以填 0 大部分情況,Server 程式在 bind() 時都不需要特別指定 IP, 所以給 INADDR_ANY 就可以而且一種情況是我們所在的機器有多個 IP, 用 INADDR_ANY 可以讓系統自動選擇在 BSD Socket 中是可以支援各種不同的通訊協定, 因此在位址的定義上就有很多種, 不只有 sockaddr_in 不過在 Winsock 1.1 中只支援 Internet Protocol, 但是到了 Winsock 2 就支援不同的通訊協定, 所以你有可能會看到像這樣的 ATM 位址結構 sockaddr_atm 3. 等待 Client 連線 int listen(int ServerSocket, int backlog); listen() 是使該 Socket 進入等待連線狀態, 等待 Client 連上線來如果有 Client 想要連過來, 此時可以呼叫 connect() 來跟 Server 連線而第二個參數 int backlog, 是指在完成真正連線前 ( 即 Server 未 accept()

6 11 12 Client 要求前 ), 所能接受的要求次數, 並不是指說該 Server Socket 可以服務的 Client 數量喔, 請特別注意如果連線要求超過 backlog 值, 此時要連線的 Client 呼叫 connect() 後, 會得到 connect refused 錯誤 ( 在 Winsock 中是 WSAECONNREFUSED) 如果要讓系統自己選擇目前可用的最大值, 可以用 SOMAXCONN, 一般來講 BSD Socket 預設最大值是 5(Winsock 1.1 的最大值也是 5) 其實 Listen() 這個動作, 是對應建立 TCP 連線時的 three-way handshake Client 會透過 connect() 送出 SYN 給 Server, 如果 TCP/IP Kernel 發現該 Socket 的 Connect Queue 還沒大於 backlog 時, 表示此時還可以接受連線要求, 因此,Kernel 會在回復一個 SYN 給 Client 至於, 一些連線要求頻繁的 Server( 如 Web Server), 該如何決定適合 backlog 值,Richard Stevens 發表過一些測試, 他建議一個 Web Server 的 backlog 可以用 16 或更多 * 不過還得小心 SYN Attack, 像是 SYN-Flood ( 口述資料部份 ) 一開始接觸 Socket 的人很容易搞混一件事情, 就是 accept() 完之後, 會丟出一個新的 Socket, 因此, 他就有了兩個 Socket Descriptor 了, 當需要呼叫 send()/recv() 時, 往往會不知道該傳入哪個 Socket 來作網路傳輸不過, 我想你只要記住一件事情就可以避開這種狀況, 只有建立好連線的 Socket 才可以傳輸資料 (Socket 5 項資料都完成 ) 而我們傳進去 accept() 的那一個 ServeSocket 參數, 是不可以拿來作 send()/recv() 的, 因為那個 Socket 是代表 Server 在做 listen() 的角色 5. 傳輸資料 int recv( int socket, char* buf, int len, int flags ); int send( int socket, char* buf, int len, flags ); accept() 做完了 Connection 也完成了, 所以 Socket Descriptor 的五項欄位也已經填完,everything is ok, 終於可以開始利用 Socket 來跟對方溝通了 4. 接受連線 int accept(int SeverSocket) 當 listen() 成功後,TCP/IP Kernel 會幫我們的 Socket 建立一個 Connect Queue( Queue 的長度為 backlog ) 而 accept() 的作用就是從這 Queue 取出需求, 並把 Client 的資料跟 Server Socket 資料組合成新的 Socket 喔 ~ 此時我們歷經千辛萬苦的連線終於完成!accept() 成功後會傳回一個建立完的 Socket(5 項資料都完成 ), 往後, 就可以靠這個 Client Socket [ Socket ] socket() * 通訊協定 * bind() *Local IP* listen() accept() *Local Port* send/recv Remote IP close() Remote Port 來與對方傳輸資料在預設的 Socket I/O mode Blocking mode, 這個 accept() 函示會停住, 一直等到有 Client 連上來為止, 才會繼續下面的工作, 這個特性很重要, 詳細的部份會在 2.6 節, 講到 Non-Blocking 實作一個比較我們可以利用 recv() 來接收資料,send() 來傳送資料這 BSD Socket 裡的跟 recv(), send() 跟檔案的讀寫很類似, 因為在 Unix 中幾乎所有的東西都是 File, 因此對 Socket 還可以用 read(), write() 來作 Socket 的 I/O, 不過 recv(), send() 多了第四個參數 int flags 在一般情形下, 是使用 Blocking mode 的 Socket, 在這個模式下的 send()/recv() 是除非工作做完, 才會結束, 也就是傳完或收完所指定的長度資料, 程式才會繼續 run, 不然就會一直停在那 (Blocking), 一動也不動 6. 關閉 Socket int close(int socket); 這個動作跟關檔的意思一樣用完就關也才不會浪費資源 ( 在 Winsock 中是用 closesocket()) 雖然是簡單的關檔動作, 但是要程式要關的好, 可就多需要一點努力了問甚麼這樣說呢, 絕大部分時候當你下 close() 時, 該 Socket 是並不會馬上關閉, 因為 Socket 關閉時會等到 Kernel 把資料送完才關閉該 Socket ( 會在背景執行該行為 ) 因此會遇到一種情形, 即使執行過了 close() 但是 Socket 卻不會馬上關閉, 要過一下才會關閉其實, 這跟 TCP 的 Sliding window 有關

7 13 14 關閉一個 Socket 我們有兩種做法 : 1. Graceful Close 就是先利用 shutdown() 來關閉 Socket 的 I/O 能力, int shutdown(int socket, int how); 其中的參數 int how 有 3 種 flags 可以設定 how = 0 關閉該 Socket 的接受能力這個選向會強迫 TCP Kernel 關閉 Sliding Window how = 1 關閉該 Socket 的傳送能力此時 TCP Kernel 會送出 FIN 給對方的電腦, 以完成正常連線 how = 2 關閉 Socket 的傳送及接受能力, 等於前兩項加起的功用所以當你要很客氣的關閉一個 Connection 時, 希望你是這麼做的 : 1. Finish sending data. 2. Call shutdown() with the how parameter set to Loop on recv() until it returns Call close(). 如此一來, 才可以避免資料在關閉實有遺失的機會這是一個嚴謹而良好的習慣 2. Force Close 雖然平常時學著客氣是不錯的選擇, 不過我們寫程式時有時候希望對這個的機制做一個控制, 畢竟, 沒人知道到底多久會關閉此時, 另一個函示就派上用場了 setsocketopt() 這個函示適用來設定 Socket 的一些細部選項, 詳細的部分在第五章會有介紹, 這裡呢我們將 Socket 的 LINGER 設成 0, 如此可以讓 close() 強制性地關閉 Socket, 而所有地資料為做完 I/O 地將被放棄對方也會都到 Connection Reset 的斷線訊息 Linger 值是指要等多少秒之後在強制關閉 Socket Server sock = socket(af_inet, SOCK_STREAM, 0); name.sin_family = AF_INET; name.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; name.sin_port = 5000; rval = read(msgsock, buf, sizeof(buf)); printf("the Message is %s \\n",buf);.... close(msgsock); close(sock); 簡單的 Client-Server 程式大略的結構當你程式是有使用到 socket 函示時, 同時也必須含入 2 個檔頭 #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> Client sock = socket(af_inet, SOCK_STREAM,0); server.sin_family = AF_INET; hp = gethostbyname(argv[1]); bcopy((char*)hp->h_addr,(char*) &server.sin_addr, hp->h_length); bind(sock,(struct sockaddr *)&name, sizeof server.sin_port = 5000; (name) ); listen(sock,5); msgsock=accept(sock,(struct ockaddr,0,0); connect(sock, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) close(sock); Client Server 程式結構比較圖 wrval = write(sock, "Hello!",6 ); // Linger 設定範例 linger LingerOption; LingerOption.l_onoff = TRUE; LingerOption.l_linger = 0; // 設定 TimeOut 秒數 setsockopt( hsocket,sol_socket,so_linger, (char*)&lingeroption,sizeof(linger));

8 20 第 6 章 The Conslution Reference 1. Winsock 網路程式設計之鑰, 1996 資訊人出版 2. UNIX 系統程式設計 (UNIX System Programming for SVR4), 1997 松格資訊出版 3. Linux Socket Programming, Que, April TCP/IP Illustrated, Volume I, W. Richard Stevens 5. Win32 多續程式設計 (Multithreading Application in Win32), 1997 碁峰資訊出版 6. Winsock Programmer's FAQ, Warren Young, 26 March Advanced Windows 3 rd, Jeff Richter 8. MSDN Windows Sockets 2 Section

ebook35-21

ebook35-21 21 Linux L i n u x 211 U N I X U N I X I / O F I F O U N I X I n t e r n e t s o c k e t () s o c k e t () send() r e c v ( read() w r i t e () send() r e c v () I n t e r n e t 212 Internet Internet S

2 本文尚未完成, 僅供中央機械網管使用!! 要公開也等我寫完吧 G Exploring Socket Programming Prefect 聽說, 鳥人超強. Who Should Read This Book? 本書適合想要實作 Winsock 程式的 Programmer 閱讀 這本書的原則

2 本文尚未完成, 僅供中央機械網管使用!! 要公開也等我寫完吧 G Exploring Socket Programming Prefect 聽說, 鳥人超強. Who Should Read This Book? 本書適合想要實作 Winsock 程式的 Programmer 閱讀這本書的原則