以C语言为例完成简单的网络聊天程序以及关于socket在Linux下系统调用的分析

套接字是网络编程中的一种通信机制，是支持TCP/IP的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。

端口号：

端口号（port）是传输层协议的内容。

端口号是一个2字节16位的整数；

端口号用来标识一个进程，告诉操作系统，当前这个数据交给哪一个程序进行解析；

IP地址 + 端口号能标识网络上的某一台主机的某一个进程；

一个端口号只能被一个进程占用。

端口号 & 进程：

概念

进程有唯一的pid标识，端口号也能标识进程；

一个进程可以绑定多个端口号，一个端口号不能被多个进程绑定。

源端口号 & 目的端口号

传输层协议（TCP/IP）的数据段中有两个端口号，分别叫做源端口号和目的端口号，就是在描述“数据是谁的？发给谁？”

TCP：

（TCP）传输控制协议，面向连接。是一种提供可靠数据传输的通用协议。

传输层协议

有连接

可靠传输

面向字节流

socket API：

1.创建socket文件描述符  (TCP/UDP,客户端+服务器)

int socket(int domain, int type, int protocol);

参数1(domain): 选择创建的套接字所用的协议族；

AF_INET ： IPv4协议；

AF_INET6： IPv6协议；

AF_LOCAL: Unix域协议；

AF_ROUTE：路由套接口；

AF_KEY ：密钥套接口。

参数2(type)：指定套接口类型，所选类型有：

SOCK_STREAM：字节流套接字；

SOCK_DGRAM : 数据报套接字;

SOCK_RAW : 原始套接口。

procotol: 使用的特定协议，一般使用默认协议（NULL）。

2.绑定端口号  （TCP/IP，服务器）

int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

参数1(socket) : 是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号）。

参数2(address)：指向特定协议的地址指针。

参数3(address_len)：上面地址结构的长度。

返回值：没有错误，bind()返回0，否则SOCKET_ERROR。

3.开始监听socket  (TCP,服务器）

int listen(int socket, int backlog);

参数1(sockfd)：是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号）。

参数2(backlog)：所监听的端口队列大小。

4.接受请求  （TCP，服务器）

int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);

参数1(socket) : 是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号）。

参数2(address)：指向特定协议的地址指针。

参数3(addrlen)：上面地址结构的长度。

返回值：没有错误，bind()返回0，否则SOCKET_ERROR。

5.建立连接  （TCP，客户端）

int connect(int sockfd, const struct struct sockaddr *addr, aocklen_t addrlen);

6.关闭套接字

int close(int fd);

参数(fd)：是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号）。

服务器端程序：

1 、加载套接字库

2 、创建套接字（socket ）。

3 、将套接字绑定到一个本地地址和端口上（bind ）。

4 、将套接字设为监听模式，准备接收客户请求（listen ）。

5 、等待客户请求到来；当请求到来后，接受连接请求，返回一个新的对应于此次连接的套接字（accept ）。

6 、用返回的套接字和客户端进行通信（send/recv ）。

7 、返回，等待另一客户请求。

8 、关闭套接字。

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])

{

       int server_sockfd;//服务器端套接字

       int client_sockfd;//客户端套接字

       int len;

       struct sockaddr_in my_addr;   //服务器网络地址结构体

       struct sockaddr_in remote_addr; //客户端网络地址结构体

       int sin_size;

       char buf[BUFSIZ];  //数据传送的缓冲区

       memset(&my_addr,0,sizeof(my_addr)); //数据初始化--清零

       my_addr.sin_family=AF_INET; //设置为IP通信

       my_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//服务器IP地址--允许连接到所有本地地址上

       my_addr.sin_port=htons(8000); //服务器端口号

       /*创建服务器端套接字--IPv4协议，面向连接通信，TCP协议*/

       if((server_sockfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)

       { 

              perror("socket");

              return 1;

       }

        /*将套接字绑定到服务器的网络地址上*/

       if (bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr))<0)

       {

              perror("bind");

              return 1;

       }

       /*监听连接请求--监听队列长度为5*/

       listen(server_sockfd,5);

       sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);

       /*等待客户端连接请求到达*/

       if((client_sockfd=accept(server_sockfd,(struct sockaddr *)&remote_addr,&sin_size))<0)

       {

              perror("accept");

              return 1;

       }

       printf("accept client %s\n",inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));

       len=send(client_sockfd,"Welcome to my server\n",21,0);//发送欢迎信息

       /*接收客户端的数据并将其发送给客户端--recv返回接收到的字节数，send返回发送的字节数*/

       while((len=recv(client_sockfd,buf,BUFSIZ,0))>0)

       {

              buf[len]='\0';

              printf("%s\n",buf);

              if(send(client_sockfd,buf,len,0)<0)

              {

                     perror("write");

                     return 1;

              }

       }

       close(client_sockfd);

       close(server_sockfd);

       return 0;

}

　　

客户端程序：

1 、加载套接字库

2 、创建套接字（socket ）。

3 、向服务器发出连接请求（connect ）。

4 、和服务器端进行通信（send/recv ）。

5 、关闭套接字。

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])

{

       int client_sockfd;

       int len;

       struct sockaddr_in remote_addr; //服务器端网络地址结构体

       char buf[BUFSIZ];  //数据传送的缓冲区

       memset(&remote_addr,0,sizeof(remote_addr)); //数据初始化--清零

       remote_addr.sin_family=AF_INET; //设置为IP通信

       remote_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");//服务器IP地址

       remote_addr.sin_port=htons(8000); //服务器端口号

       /*创建客户端套接字--IPv4协议，面向连接通信，TCP协议*/

       if((client_sockfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)

       {

              perror("socket");

              return 1;

       }

       /*将套接字绑定到服务器的网络地址上*/

       if(connect(client_sockfd,(struct sockaddr *)&remote_addr,sizeof(struct sockaddr))<0)

       {

              perror("connect");

              return 1;

       }

       printf("connected to server\n");

       len=recv(client_sockfd,buf,BUFSIZ,0);//接收服务器端信息

         buf[len]='\0';

       printf("%s",buf); //打印服务器端信息

       /*循环的发送接收信息并打印接收信息--recv返回接收到的字节数，send返回发送的字节数*/

       while(1)

       {

              printf("Enter string to send:");

              scanf("%s",buf);

              if(!strcmp(buf,"quit"))

                     break;

              len=send(client_sockfd,buf,strlen(buf),0);

              len=recv(client_sockfd,buf,BUFSIZ,0);

              buf[len]='\0';

              printf("received:%s\n",buf);

       }

       close(client_sockfd);//关闭套接字

    return 0;

}

　　

这里总结GDB调试过程以及命令：

gcc server.c -o server_gdb -g

gdb server_gdb

 

命令	命令缩写	命令说明
list	l	显示多行源代码
break	b	设置断点,程序运行到断点的位置会停下来
info	i	描述程序的状态
run	r	开始运行程序
display	disp	跟踪查看某个变量,每次停下来都显示它的值
step	s	执行下一条语句,如果该语句为函数调用,则进入函数执行其中的第一条语句
next	n	执行下一条语句,如果该语句为函数调用,不会进入函数内部执行(即不会一步步地调试函数内部语句)
print	p	打印内部变量值
continue	c	继续程序的运行,直到遇到下一个断点
set var name=v		设置变量的值
start	st	开始执行程序,在main函数的第一条语句前面停下来
file		装入需要调试的程序
kill	k	终止正在调试的程序
watch		监视变量值的变化
backtrace	bt	产看函数调用信息(堆栈)
frame	f	查看栈帧
quit	q	退出GDB环境

下面是socket在linux下系统调用的分析

1.在include/linux/syscalls.h中定义了sys_socket函数的函数原型

asmlinkage long sys_socket(int, int, int);

系统调用函数必须满足：

asmlinkage long sys_##function-name(##args){ ,return ret}

2.在arch/arm/include/asm,unistd.h中，将sys_socket系统调用和系统调用好关联起来

#define __NR_socket 97

__SYSCALL(__NR_socket, sys_socket)//系统调用号为97

在unistd.h中，同时给出注释表明，给函数的实现在socket.c中

3.进入socket.c（net/中），发现有这样一个函数实现（或者定义）

SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol){ ….}

肯定这就是asmlinkage long sys_socket（int，int，int）的实现了。为了表明这一切，需要进一步查看宏SYSCALL_DEFINE3的定义

SYSCALL_DEINFE3的定义也在syscalls.h中

#define SYSCALL_DEFINE1(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(1, _##name, __VA_ARGS__)

#define SYSCALL_DEFINE2(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(2, _##name, __VA_ARGS__)

#define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)

#define SYSCALL_DEFINE4(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(4, _##name, __VA_ARGS__)

#define SYSCALL_DEFINE5(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(5, _##name, __VA_ARGS__)

#define SYSCALL_DEFINE6(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(6, _##name, __VA_ARGS__)

那么:SYSCALL_DEFINE3(socket,int,family,int,type,int,protocal)===SYSCALL_DEFINEX(3,socket,__VA_ARGS__)

由此，我们得到

SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol){ ….}

SYSCALL_DEFINEX(3,_socket,__VA_ARGS__)

_SYSCALL_DEFINE(3,_socket,__VA_ARGS__)

asmlinkage long sys_socket(int family,int type,int protocol)

而他的原型正是：asmlinkage long sys_socket（int，int，int）

4.

分析了系统是如何定义和实现sys_socket的系统调用。接下来，仔细分析sys_socket是如何实现创socket的。在前面，我们知道inet_family_ops中的create函数为inet_create，也就是说，如果要创建inet型的socket，将由函数inet_create来创建。

先来看看inet_family_ops

static const struct net_proto_family inet_family_ops = {

.family = PF_INET,

.create = inet_create,

.owner  = THIS_MODULE,

};

下面看看sys_socket中的函数调用关系：

sys_socket

|

+--------- sock_create

|                    |

|                    +------- __sock_create

|                                         |

|                                         +------- security_socket_create

|                                         +-------- sock_alloc()

|                                         +--------- rcu_dereference(net_families[family])

|                                         +--------- pf->create(net, sock, protocol, kern)

|                                         +--------- module_put(pf->owner)

|                                         +--------- security_socket_post_create

+---------- sock_map_fd

sys_socket 调用sock_create函数，最终调用rcu_dereference函数来得到相应的net_family_ops，在这里是inet_family_ops，然后调用inet_family_ops结构中的create函数，这里是inet_create函数，来创建socket。sock_map_fd是得到一个文件号。

当使用socket(int,int,int)创建一个socket时，socket会调用sys_socket来完成socket的创建。