socket 本質上是一種 IPC (Inter-Process Communication) 的技術，用於兩個或多個 process 進行資料交換或者通訊。
在網路領域，socket 著重的不是同一台主機間 process 的通訊，而是不同主機執行的 process 互相交換資料的通訊。
我們在寫 socket programming 的時候會使用 os 提供的 API，來避免重複造輪子，今天的筆記會簡單介紹一下 linux 提供的 socket API，並用兩個簡單的範例介紹如何用 tcp 跟 udp 協定透過 socket 傳輸資料。
本文章所使用的環境
- kernel:
5.11.0-37-generic - gcc version:
gcc (Ubuntu 9.3.0-17ubuntu1~20.04) 9.3.0 - GNU Make:
4.2.1
在寫 socket 相關的程式的時候，需要先
#include <arpa/inet.h> // sockaddr 相關
#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol)定義要建立哪一種類型的 socket，常用的有以下幾種類型
- AF_UNIX, AF_LOCAL: 用於本機間
process的溝通 - AF_INET, AF_INET6
- AF_INET: IPv4 協定
- AF_INET6: IPv6 協定
詳細的選項可以參考 socket 的 man page
socket 傳輸資料的手段(communication semantics)
- SOCK_STREAM: 對應到
tcp協定 - SOCK_DGRAM: 對應到
udp協定
設定通訊協定的號碼，通常在寫的時候會填入 0，kernel 會根據上面的兩個參數自動選擇合適的協定。
/etc/protocols 可以看到 linux 底下支援的協定
成功建立 socket 之後，此函式會返回該 socket 的檔案描述符(socket file descriptor)，在之後的操作可以透過這個回傳值來操作我們建立的 socket。 如果建立失敗則會回傳 -1(INVALID_SOCKET)
參考資料
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
int main() {
// AF_INET = IPv4
// SOCK_DGRAM = UDP
int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
// 檢查是否建立成功
if (socket_fd < 0) {
printf("Fail to create a socket.");
}
// 根據 socker_fd 關閉剛剛創立的 socket
close(socket_fd);
return 0;
}接著先來介紹一下 socket 中拿來儲存地址的資料結構 sockaddr
sockaddr 是 socket 的通用地址結構，就如同一開始提到的，socket 除了在網路領域之外，也可以在很多不同的地方用來通訊。
sockaddr 結構，定義如下
typedef unsigned short int sa_family_t;
#define __SOCKADDR_COMMON(sa_prefix) \
sa_family_t sa_prefix##family
struct sockaddr {
__SOCKADDR_COMMON (sa_); /* Common data: address family and length. */
char sa_data[14]; /* Address data. */
};
// 上面的結構把巨集展開後，等價於下方的資料結構
struct sockaddr {
unsigned short int sa_family; // 2 bytes
char sa_data[14]; // 14 bytes
};後來的更新中，為了讓龐大的程式碼可讀性上升，新增了 sockaddr_in 的結構用來存取網路相關的應用， in 指的是 internet，sockaddr_in 專門用來存 IPv4 的相關地址。
IPv6 則是使用 sockaddr_in6 結構，在本文章主要會著重在 IPv4 相關的範例。
typedef uint32_t in_addr_t; // 4 byte
struct in_addr {
in_addr_t s_addr;
};
struct sockaddr_in {
__SOCKADDR_COMMON (sin_);
in_port_t sin_port; /* Port number. */
struct in_addr sin_addr; /* Internet address. */
/* Pad to size of `struct sockaddr'. */
unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr)
- __SOCKADDR_COMMON_SIZE
- sizeof (in_port_t)
- sizeof (struct in_addr)];
};
struct sockaddr_in {
// sa_family_t sin_family
unsigned short int sin_family; // 2 bytes
unsigned short int sin_port; // 2 bytes
struct in_addr sin_addr; // 4 bytes
unsigned char sin_zero[8]; // 填充，讓 sockaddr_in 的 size 跟 sockaddr 相同
};這邊觀看原始碼會覺得奇怪，為什麼還需要使用 sin_zero 來做填充的動作。
原因是很多 socket 的 api，參數都需要填入 sockaddr，sockaddr_in 則是後來加入的 struct。 今天如果我們 address 的資料是用 sockaddr_in 來儲存，並且想調用相關的函式時，我們就需要強制轉型。
假設今天用 socket 的場景不是網路，也會有對應的結構來存地址，在呼叫 socket 通用的 api 時，就可以使用強制轉型的方式，讓不同的結構呼叫同一個函式。
實際範例: unix
在後面的例子中也會實際調用，下方的程式碼可以先作為參考。
#define serverIP
#define serverPort 12000
// 建立一個 sockaddr_in 結構，存著 server 的相關資料
struct sockaddr_in serverAddr = {
.sin_family = PF_INET,
.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverIP),
.sin_port = htons(serverPort)
};
bind(socket_fd, (const struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr));一般我們在表示 ip 位置時都會寫成人類比較容易讀的形式，像是125.102.25.62
以 ipv4 來說，address 是由4個 byte，32個 bit所組成，在實務上我們常常需要做字串與實際數值(uint32_t)的轉換，linux 函式庫提供了一系列輔助位置轉換的 function。
一般來說，address 的實際數值都會用 in_addr 或者 in_addr_t 來表示
其本質就是 uint32_t，用總共 32 個 bits 來表示一個 IPv4 的地址
typedef uint32_t in_addr_t; // 4 byte
struct in_addr {
in_addr_t s_addr;
};常用的有以下這五種
- 只能用在
IPv4的處理- inet_addr
- inet_aton
- inet_ntoa
- 兼容
Ipv4與IPv6- inet_pton
- inet_ntop
使用前必須先
#include <arpa/inet.h>in_addr_t inet_addr(const char *cp)功能: 將字串轉換成數值表示的 ip address
回傳: 假如輸入的地址合法，會回傳 uint32_t 的數值，若不合法則回傳 INADDR_NONE
INADDR_NODE = 0xFFFFFFFF (32 個 bits 全部填一)
int inet_aton(const char *string, struct in_addr *addr)功能: 將字串轉換成數值表示的 ip address
回傳: 轉換成功，會回傳一個非零的值，失敗則會回傳 0
char *inet_ntoa(struct in_addr)功能: 將 in_addr 轉換成字串形式的 ip address
回傳: 如果沒有錯誤，會傳回成功轉換的字串，失敗時則會回傳 NULL
const char *inet_pton(int domain, const void *restrict addr, char *restrict str, socklen_t size)
int inet_pton(int domain, const char *restrict str, void *restrict addr)最後這兩個函式是為了因應 IPv6 而新增的，除了轉換 IPv6 之外，也可以兼容之前 IPv4 相關的轉換，本文章主要是介紹 IPv4 相關的用法，IPv6 的轉換有興趣的可以自己去查資料。
要做 IPv6 相關的轉換，要把 domain 填入 AF_INET6 即可，後面需要搭配 IPv6 相關的 struct
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
int main()
{
struct in_addr addr;
if (inet_pton(AF_INET, "8.8.8.8", &addr.s_addr) == 1) {
printf("Ip address: %u\n", addr.s_addr);
}
char ip_addr[20];
if (inet_ntop(AF_INET, &addr.s_addr, ip_addr, sizeof(ip_addr))) {
printf("After inet_ntop function, ip address: %s\n", ip_addr);
}
}inet_pton man page inet_ntop man page
轉換相關的 function 我每個都寫了一個簡單的範例，可以參考 完整程式碼
上面介紹了創建一個 socket 的方式，也簡單的介紹了存放 address 的資料結構，一些常用的轉換函式。
接著我們要介紹 bind，這個函式可以讓前面創建的 socket 實際綁定到本機的某個 port 上面，這樣子 client 端在送資料到某個 port 的時候，我們寫的 server 程式才可以在那個 port 上面運行，處理資料。
attaches a local address to a socket.
int bind(int sockfd, struct sockaddr *addr, unsigned int addrlen)一開始呼叫 socket() 的回傳值
sockaddr 來描述 bind 要綁定的 address 還有 port。
在先前的介紹有簡單提到，實際存放 ip address 的是 sockaddr_in.sin_addr.s_addr，如果今天不想綁定 ip address，而是單單想綁定某個 port 的時候，s_addr 就要設成 INADDR_ANY，通常會出現在你的主機有多個 ip 或者 ip 不是固定的情況。
addr 結構的 size
如果綁定成功就會回傳 0，失敗回傳 -1
// 建立 socket, 並且取得 socket_fd
int socket_fd = socket(PF_INET , SOCK_DGRAM , 0);
if (socket_fd < 0) {
printf("Fail to create a socket.");
}
// 地址資訊
struct sockaddr_in serverAddr = {
.sin_family =AF_INET, // Ipv4
.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY, // 沒有指定 ip address
.sin_port = htons(12000) // 綁定 port 12000
};
// 綁定
// 因為 bind 可以用在不同種類的 socket，所以是用 sockaddr 宣告
// 我們用於網路的 address，是用 sockaddr_in 這個結構
// 在填入的時候要進行強制轉型
// 前面介紹 sockaddr_in 裡面 sin_zero 就是為了讓兩個結構有相同的 size
if (bind(socket_fd, (const struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {
perror("Bind socket failed!");
close(socket_fd);
exit(0);
}
printf("Server ready!\n");
接下來就要開始編寫我們的第一支 socket 程式，client 端輸入小寫的英文字串，server 端接收到字串後，將其改成大寫並且送回給 client 端。 我們一開始將會透過 UDP 協定來實現這個任務。
UDP 是一種輕量化的協定，只會提供最低限度的服務，跟 TCP 相比，UDP 是非連線導向的協定，兩個 process 之間的溝通並不會事先握手，就像下圖所示，UDP 的 client 端只會接到指令之後送出，並不會在意對方是否有接收到資料，所以又被稱為 不可靠的資料傳輸。
在 socket 的 api 中，負責 UDP 傳送以及接收的 function 是 sendto(), recvfrom()。 因為 UDP 協定不需要事先連線，所以只需要有目標 ip address 跟 port 即可。
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);socket 的文件描述符
資料本體
資料長度
一般填入 0，想知道詳細參數意義可以參考 man page
目標位置相關資訊
dest_addr 的 size
傳送成功時回傳具體傳送成功的 byte 數，傳送失敗時會回傳 -1
並且把錯誤訊息存進 errno
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);socket 的文件描述符
接收資料的 buffer
資料長度
一般填入 0，想知道詳細參數意義可以參考 man page
資料來源地址，收到訊息之後我們可以一併收到來源地址，透過 src_addr，我們才能順利的把處理完的資料發回。
src_addr 的 size
接收成功時回傳具體接收成功的 byte 數，傳送失敗時會回傳 -1
並且把錯誤訊息存進 errno
#define serverPort 48763
// message buffer
char buf[1024] = {0};
// 建立 socket
int socket_fd = socket(PF_INET , SOCK_DGRAM , 0);
if (socket_fd < 0){
printf("Fail to create a socket.");
}
// server 地址
struct sockaddr_in serverAddr = {
.sin_family = AF_INET,
.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY,
.sin_port = htons(serverPort)
};
// 將建立的 socket 綁定到 serverAddr 指定的 port
if (bind(socket_fd, (const struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {
perror("Bind socket failed!");
close(socket_fd);
exit(0);
}
struct sockaddr_in clientAddr;
int len = sizeof(clientAddr);
while (1) {
// 當有人使用 UDP 協定送資料到 48763 port
// 會觸發 recvfrom()，並且把來源資料寫入 clientAddr 當中
if (recvfrom(socket_fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&clientAddr, &len) < 0) {
break;
}
// 收到 exit 指令就關閉 server
if (strcmp(buf, "exit") == 0) {
printf("get exit order, closing the server...\n");
break;
}
// 將收到的英文字母換成大寫
char *conv = convert(buf);
// 顯示資料來源，原本資料，以及修改後的資料
printf("get message from [%s:%d]: ", inet_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port));
printf("%s -> %s\n", buf, conv);
// 根據 clientAddr 的資訊，回傳至 client 端
sendto(socket_fd, conv, sizeof(conv), 0, (struct sockaddr *)&clientAddr, sizeof(clientAddr));
// 清空 message buffer
memset(buf, 0, sizeof(buf));
free(conv);
}
// 關閉 socket，並檢查是否關閉成功
if (close(socket_fd) < 0) {
perror("close socket failed!");
}#define serverPort 48763
// message buffer
char buf[1024] = {0};
char recvbuf[1024] = {0};
// 建立 socket
int socket_fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (socket_fd < 0) {
printf("Create socket fail!\n");
return -1;
}
// server 地址
struct sockaddr_in serverAddr = {
.sin_family = AF_INET,
.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverIP),
.sin_port = htons(serverPort)
};
int len = sizeof(serverAddr);
while (1) {
// 輸入資料到 buffer
printf("Please input your message: ");
scanf("%s", buf);
// 傳送到 server 端
sendto(socket_fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr));
// 接收到 exit 指令就退出迴圈
if (strcmp(buf, "exit") == 0)
break;
// 清空 message buffer
memset(buf, 0, sizeof(buf));
// 等待 server 回傳轉成大寫的資料
if (recvfrom(socket_fd, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0, (struct sockaddr *)&serverAddr, &len) < 0) {
printf("recvfrom data from %s:%d, failed!", inet_ntoa(serverAddr.sin_addr), ntohs(serverAddr.sin_port));
}
// 顯示 server 地址，以及收到的資料
printf("get receive message from [%s:%d]: %s\n", inet_ntoa(serverAddr.sin_addr), ntohs(serverAddr.sin_port), recvbuf);
// 清空 recv buffer
memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
}
// 關閉 socket，並檢查是否關閉成功
if (close(socket_fd) < 0) {
perror("close socket failed!");
}想了解細節，可參考 完整程式碼
在 /udp_example 下執行 make 即可。
不知道各位有沒有注意到，我們正式使用 socket 的 api 時，關於位置的部份都是使用 sockaddr 當傳入的參數，我們在網路領域用的 sockaddr_in 在傳入時都要再強制轉型一次。
因為 socket 本身除了網路通訊之外有很多別的地方也會使用到，為了統一 api 操作，所以函式一律是用 sockaddr 作為參數，這樣一來各種不同的 sockaddr_xx 系列就可以用同一組 api，只需要額外轉型即可。
recvfrom(socket_fd, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0, (struct sockaddr *)&serverAddr, &len)接著我們要談談如何用 socket 利用 TCP 協定來交換資料，首先要知道的是 TCP 屬於 連線導向Connection-oriented 的協定，跟 UDP 不同，在雙方交換資料之前必須經過先建立 TCP connection，下方是 socket 利用 TCP 協定溝通的流程圖，可以跟之前提到 UDP 的流程圖做一個簡單的對比。
先從 server 端來解說，跟 UDP 相比，可以看到 bind 完之後多了 listen 跟 accept 兩個動作。
當 server 端創立的 socket 成功 bind 某個 port 之後，他會開始 listen 有沒有人申請連線，在 listen 這個 function 還可以設定 backlog，這個參數可以決定今天我們的 socket 最多能同時處理的連線要求，避免同時太多人提出連線需求。
backlog: 在
server端accept之前最多的排隊數量
TCP 協定在建立連線時會經過 three-way handshake 流程，下圖是每個流程與 socket api 的對應圖。
當 client 呼叫 connect 時才會開始發起 three-way handshake，當 connect 結束時，client 與 server 基本已經完成了整個流程。
那 server 端的 accept 具體只是從 server socket 維護的 completed connection queue 中取出一個已完成交握過程的 socket。
在 kernel 中每個 socket 都會維護兩個不同的 queue:
- 未完成連線佇列 (incomplete connection queue): FIFO with syn_rcvd state
- 已完成連線佇列 (complete connection queue): FIFO with established state
所以 accept 根本不參與具體的 three-way handshake 流程
參考資料
總結一下
server端listen: 初始化佇列，準備接受connectaccept: 從complete connection queue中取出一個已連線的socket
client端connect: 發起three-way handshake，必須要等server端開始listen後才可以使用
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);一開始呼叫 socket() 的回傳值
想要建立連線的 server 資料
addr 結構的 size
錯誤時回傳 -1，並且設定 errno
int listen(int sockfd, int backlog);一開始呼叫 socket() 的回傳值
允許進入 queue 的最大連線數量
在 server 端還沒有 accept 之前，最多能允許幾個 socket 申請 connect
詳細敘述可以參考 man page
錯誤時回傳 -1，並且設定 errno
int accept(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr,
socklen_t *restrict addrlen);server 端 socket 的檔案描述符
建立 TCP 連線的 Client 端資料
addr 結構的 size
返回一個新的 sock_fd，專門跟請求連結的 client 互動
#define serverPort 48763
// message buffer
char buf[1024] = {0};
// 建立 socket
int socket_fd = socket(PF_INET , SOCK_STREAM , 0);
if (socket_fd < 0){
printf("Fail to create a socket.");
}
// server 地址
struct sockaddr_in serverAddr = {
.sin_family = AF_INET,
.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY,
.sin_port = htons(serverPort)
};
// 將建立的 socket 綁定到 serverAddr 指定的 port
if (bind(socket_fd, (const struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {
perror("Bind socket failed!");
close(socket_fd);
exit(0);
// 初始化，準備接受 connect
// backlog = 5，在 server accept 動作之前，最多允許五筆連線申請
// 回傳 -1 代表 listen 發生錯誤
if (listen(socket_fd, 5) == -1) {
printf("socket %d listen failed!\n", socket_fd);
close(socket_fd);
exit(0);
}
printf("server [%s:%d] --- ready\n",
inet_ntoa(serverAddr.sin_addr), ntohs(serverAddr.sin_port));
while(1) {
int reply_sockfd;
struct sockaddr_in clientAddr;
int client_len = sizeof(clientAddr);
// 從 complete connection queue 中取出已連線的 socket
// 之後用 reply_sockfd 與 client 溝通
reply_sockfd = accept(socket_fd, (struct sockaddr *)&clientAddr, &client_len);
printf("Accept connect request from [%s:%d]\n",
inet_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port));
// 不斷接收 client 資料
while (recv(reply_sockfd, buf, sizeof(buf), 0)) {
// 收到 exit 指令就離開迴圈
if (strcmp(buf, "exit") == 0) {
memset(buf, 0, sizeof(buf));
goto exit;
}
// 將收到的英文字母換成大寫
char *conv = convert(buf);
// 顯示資料來源，原本資料，以及修改後的資料
printf("get message from [%s:%d]: ",
inet_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port));
printf("%s -> %s\n", buf, conv);
// 傳回 client 端
// 不需要填入 client 端的位置資訊，因為已經建立 TCP 連線
if (send(reply_sockfd, conv, sizeof(conv), 0) < 0) {
printf("send data to %s:%d, failed!\n",
inet_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port));
memset(buf, 0, sizeof(buf));
free(conv);
goto exit;
}
// 清空 message buffer
memset(buf, 0, sizeof(buf));
free(conv);
}
// 關閉 reply socket，並檢查是否關閉成功
if (close(reply_sockfd) < 0) {
perror("close socket failed!");
}
}#define serverPort 48763
// message buffer
char buf[1024] = {0};
char recvbuf[1024] = {0};
// 建立 socket
int socket_fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (socket_fd < 0) {
printf("Create socket fail!\n");
return -1;
}
// server 地址
struct sockaddr_in serverAddr = {
.sin_family = AF_INET,
.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverIP),
.sin_port = htons(serverPort)
};
int len = sizeof(serverAddr);
// 試圖連結 server，發起 tcp 連線
// 回傳 -1 代表 server 可能還沒有開始 listen
if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *)&serverAddr, len) == -1) {
printf("Connect server failed!\n");
close(socket_fd);
exit(0);
}
printf("Connect server [%s:%d] success\n",
inet_ntoa(serverAddr.sin_addr), ntohs(serverAddr.sin_port));
while (1) {
// 輸入資料到 buffer
printf("Please input your message: ");
scanf("%s", buf);
// 傳送到 server 端
if (send(socket_fd, buf, sizeof(buf), 0) < 0) {
printf("send data to %s:%d, failed!\n",
inet_ntoa(serverAddr.sin_addr), ntohs(serverAddr.sin_port));
memset(buf, 0, sizeof(buf));
break;
}
// 接收到 exit 指令就退出迴圈
if (strcmp(buf, "exit") == 0)
break;
// 清空 message buffer
memset(buf, 0, sizeof(buf));
// 等待 server 回傳轉成大寫的資料
if (recv(socket_fd, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0) < 0) {
printf("recv data from %s:%d, failed!\n",
inet_ntoa(serverAddr.sin_addr), ntohs(serverAddr.sin_port));
break;
}
// 顯示 server 地址，以及收到的資料
printf("get receive message from [%s:%d]: %s\n",
inet_ntoa(serverAddr.sin_addr), ntohs(serverAddr.sin_port), recvbuf);
memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
}
// 關閉 socket，並檢查是否關閉成功
if (close(socket_fd) < 0) {
perror("close socket failed!");
}
使用
netstat -a | grep 48763查看是否建立連線
本地端測試網路程式的時候常會使用的地址
可以參考 wiki
