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Berkeley套接字 来自维基百科,自由的百科全书
柏克萊插座(英語:Internet Berkeley sockets) ,又稱為BSD 插座(BSD sockets)是一種應用程式介面(API),用於網路插座( socket)與Unix域插座,包括了一個用C語言寫成的應用程式開發庫,主要用於實現行程間通訊,在電腦網路通訊方面被廣泛使用。
Berkeley插座(也作BSD插座應用程式介面)剛開始是4.2BSD Unix作業系統(於1983發布)的一套應用程式介面。然而,由於AT&T的專利保護著UNIX,所以只有在1989年柏克萊大學才能自由地發布自己的作業系統和網路庫。
Berkeley插座應用程式介面形成了事實上的網路插座的標準精髓。 大多數其他的程式語言使用與這套用C語言寫成的應用程式介面[1] 類似的介面。 這套應用程式介面也被用於Unix域插座(Unix domain sockets),後者可以在單機上為行程間通訊(IPC)的介面。
這種基於流的傳輸層介面(TLI)為插座應用程式介面提供了一種選擇。 不過,最近[何時?]提供TLI應用程式介面的的系統同時也提供Berkeley插座應用程式介面。[來源請求]
Berkeley插座介面,一個應用程式介面(API),使用一個Internet插座的概念,使主機間或者一台電腦上的行程間可以通訊。 它可以在很多不同的輸入/輸出裝置和驅動之上執行,儘管這有賴於作業系統的具體實現。 介面實現用於TCP/IP協定,因此它是維持Internet的基本技術之一。 它是由加利福尼亞的柏克萊大學開發,最初用於Unix系統。 如今,所有的現代作業系統都有一些源於Berkeley插座介面的實現,它已成為連接Internet的標準介面。
插座介面的接入有三個不同的級別,最基礎的也是最有效的就是raw socket級別接入。 很少的應用程式需要在外向通訊控制的這個級別接入,所以raw socket級別是只為了用於開發電腦Internet相關技術的。 最近幾年,大多數的作業系統已經實現了對它的全方位支援,包括Windows XP。
由於Berkeley插座是第一個socket,大多數程式設計師很熟悉它們,所以大量系統把柏克萊插座作為其主要的網路API。一個不完整的列表如下:
Berkeley插座介面的定義在幾個標頭檔中。這些檔案的名字和內容與具體的實現之間有些許的不同。 大體上包括:
<sys/socket.h>
<netinet/in.h>
<sys/un.h>
<arpa/inet.h>
<netdb.h>
這個列表是一個Berkeley插座API庫提供的函式或者方法的概要:
socket()
建立一個新的確定類型的插座,類型用一個整型數值標識(檔案描述子),並為它分配系統資源。bind()
一般用於伺服器端,將一個插座與一個插座位址結構相關聯,比如,一個指定的本地埠和IP位址。listen()
用於伺服器端,使一個繫結的TCP插座的tcp狀態由CLOSE轉至LISTEN;作業系統核心為此監聽socket所對應的tcp伺服器建立一個pending socket佇列和一個established socket佇列;參數backlog指定pending socket佇列的長度,0表示長度可以無限大。pending socket,就是某客戶端三次握手的syn包到達,核心為這個syn包對應的tcp請求生成一個socket(狀態為SYN_RECV),但三次握手還沒有完成時的socket。connect()
用於客戶端,為一個插座分配一個自由的本地埠號。 如果是TCP插座的話,它會試圖獲得一個新的TCP連接。accept()
用於伺服器端。 它接受一個從遠端客戶端發出的建立一個新的TCP連接的接入請求,建立一個新的插座,與該連接相應的插座位址相關聯。send()
和recv()
,或者write()
和read()
,或者recvfrom()
和sendto()
, 用於往/從遠端插座傳送和接受資料。close()
用於系統釋放分配給一個插座的資源。 如果是TCP,連接會被中斷。gethostbyname()
和gethostbyaddr()
用於解析主機名和位址。select()
用於修整有如下情況的插座列表: 準備讀,準備寫或者是有錯誤。poll()
用於檢查插座的狀態。 插座可以被測試,看是否可以寫入、讀取或是有錯誤。getsockopt()
用於查詢指定的插座一個特定的插座選項的當前值。setsockopt()
用於為指定的插座設定一個特定的插座選項。更多的細節如下給出。
socket()
為通訊建立一個端點,為插座返回一個檔案描述子。 socket() 有三個參數:
SOCK_STREAM
(可靠的面向流服務或流插座)SOCK_DGRAM
(資料報服務或者資料報插座)SOCK_SEQPACKET
(可靠的連續封包服務)SOCK_RAW
(在網路層之上自行指定運輸層協定頭,即原始插座)IPPROTO_TCP
、IPPROTO_SCTP
、IPPROTO_UDP
、IPPROTO_DCCP
。這些協定都在<netinet/in.h>中有詳細說明。 如果該項為「0
」的話,即根據選定的domain和type選擇使用預設協定。如果發生錯誤,函式返回值為-1。 否則,函式會返回一個代表新分配的描述符的整數。
int socket(int domain, int type, int protocol);
bind()
為一個插座分配位址。當使用socket()
建立插座後,只賦予其所使用的協定,並未分配位址。在接受其它主機的連接前,必須先呼叫bind()
為插座分配一個位址。bind()
有三個參數:
sockfd
, 表示使用bind函式的插座描述符my_addr
, 指向sockaddr結構(用於表示所分配位址)的指標addrlen
, 用socklen_t欄位指定了sockaddr結構的長度如果發生錯誤,函式返回值為-1,否則為0。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *my_addr, socklen_t addrlen);
當socket和一個位址繫結之後,listen()
函式會開始監聽可能的連接請求。然而,這只能在有可靠資料流保證的時候使用,例如:資料類型(SOCK_STREAM
, SOCK_SEQPACKET
)。
listen()函式需要兩個參數:
sockfd
, 一個socket的描述符.backlog
, 完成三次握手、等待accept的全連接的佇列的最大長度上限。對於AF_INET類型的socket,全連接數量為:min(backlog, somaxconn)。當佇列滿時,新的全連接會返回錯誤。somaxconn預設為128.半連接佇列的最大長度可通過sysctl函式設定tcp_max_syn_backlog,預設值為256。Linux Kernel 2.2之後,全連接佇列與半連接佇列分別叫做accept queue與syns queue。根據/proc/sys/net/ipv4/tcp_abort_on_overflow里的值為0表示如果三次握手第三步的時候全連接佇列滿了,那麼server扔掉client發過來的ack,server過一段時間再次傳送syn+ack給client(也就是重新走握手的第二步),如果client逾時等待比較短,就很容易異常;tcp_abort_on_overflow為1表示第三次握手時如果全連接佇列滿了,server傳送一個reset包給client,表示廢掉這個握手過程和這個連接。一旦連接被接受,返回0表示成功,錯誤返回-1。
原型:
int listen(int sockfd, int backlog);
當應用程式監聽來自其他主機的面對資料流的連接時,通過事件(比如Unix select()系統呼叫)通知它。必須用 accept()
函式初始化連接。 accept()
為每個連接創立新的插座並從監聽佇列中移除這個連接。它使用如下參數:
sockfd
,監聽的插座描述符cliaddr
, 指向sockaddr 結構體的指標,客戶機位址資訊。addrlen
,指向 socklen_t
的指標,確定客戶機位址結構體的大小 。返回新的插座描述符,出錯返回-1。進一步的通訊必須通過這個插座。
Datagram 插座不要求用accept()處理,因為接收方可能用監聽插座立即處理這個請求。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);
connect()
系統呼叫為一個插座設定連接,參數有檔案描述子和主機位址。
某些類型的插座是無連接的,大多數是UDP協定。對於這些插座,連接時這樣的:預設傳送和接收資料的主機由給定的位址確定,可以使用 send()和 recv()。 返回-1表示出錯,0表示成功。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
int select (int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout);
int getsockname (SOCKET s, struct sockaddr *name, int* namelen);
getsockname函式取得已繫結(可能是未呼叫bind的系統自動繫結)的套介面本地協定位址。
int getpeername (SOCKET s, struct sockaddr *name, int* namelen);
getpeername函式獲得與指定套介面連接的遠端資訊(IP:PORT)。
gethostbyname()
和 gethostbyaddr()
函式是用來解析主機名和位址的。可能會使用DNS服務或者本地主機上的其他解析機制(例如查詢/etc/hosts)。返回一個指向 struct hostent的指標,這個結構體描述一個IP主機。函式使用如下參數:
出錯返回NULL指標,可以通過檢查 h_errno 來確定是臨時錯誤還是未知主機。正確則返回一個有效的 struct hostent *。
這些函式並不是柏克萊插座嚴格的組成部分。這些函式可能是過時了,只能處理IPv4位址。在IPv6中,替代的新函式是 getaddrinfo() and getnameinfo(), 這些新函式是基於addrinfo資料結構。參考<Ws2tcpip.h>。
struct hostent *gethostbyname(const char *name);
struct hostent *gethostbyaddr(const void *addr, int len, int type);
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);
setsockopt函式用來設定插座選項。
參數:
在socket層, 有以下一些選項:
int ioctlsocket(_In_ SOCKET s, _In_ long cmd, _Inout_ u_long *argp);
根據第二個參數的取值,設定socket I/O模式:
inet_pton與inet_ntop兩個函式,在ASCII字元描述的IP位址與網路位元組序的4位元組IP位址之間轉換。 字母"n"與"p",分別是numerical與presentation的縮寫。
插座API是Unix網路的通用介面,允許使用各種網路協定和位址。
下面列出了一些例子,在現在的 Linux 和 BSD 中一般都已經實現了。
PF_LOCAL, PF_UNIX, PF_FILE Local to host (pipes and file-domain) PF_INET IP protocol family PF_AX25 Amateur Radio AX.25 PF_IPX Novell Internet Protocol PF_APPLETALK Appletalk DDP PF_NETROM Amateur radio NetROM PF_BRIDGE Multiprotocol bridge PF_ATMPVC ATM PVCs PF_X25 Reserved for X.25 project PF_INET6 IP version 6 PF_ROSE Amateur Radio X.25 PLP PF_DECnet Reserved for DECnet project PF_NETBEUI Reserved for 802.2LLC project PF_SECURITY Security callback pseudo AF PF_KEY PF_KEY key management API PF_NETLINK, PF_ROUTE routing API PF_PACKET Packet family PF_ASH Ash PF_ECONET Acorn Econet PF_ATMSVC ATM SVCs PF_SNA Linux SNA Project PF_IRDA IRDA sockets PF_PPPOX PPPoX sockets PF_WANPIPE Wanpipe API sockets PF_BLUETOOTH Bluetooth sockets
socket的通用address描述結構sockaddr是一個16位元組大小的結構(2+14),sa_family可以認為是socket address family的縮寫。另外的14位元組是用來描述位址。當指定sa_family=AF_INET之後,sa_data的形式也就被固定了下來:最前端的2位元組用於記錄16位元的埠,緊接著的4位元組用於記錄32位元的IP位址,最後的8位元組清空為零。
struct sockaddr
{
unsigned short sa_family;
char sa_data[14];
};
struct sockaddr_in //means socket address internet
{
unsigned short sin_family; //sin means socket (address) internet
unsigned short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
char sin_zero[8];
};
struct in_addr
{
unsigned long s_addr; // means source address
};
設定一個簡單的TCP伺服器涉及下列步驟:
fork()
, each process must close the sockets it knew about (the kernel keeps track of how many processes have a descriptor open), and two processes should not use the same socket at once. /* Server code in C */
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
struct sockaddr_in stSockAddr;
int SocketFD = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if(-1 == SocketFD)
{
perror("can not create socket");
exit(EXIT_FAILURE);
}
memset(&stSockAddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
stSockAddr.sin_family = AF_INET;
stSockAddr.sin_port = htons(1100);
stSockAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
if(-1 == bind(SocketFD,(const struct sockaddr *)&stSockAddr, sizeof(struct sockaddr_in)))
{
perror("error bind failed");
close(SocketFD);
exit(EXIT_FAILURE);
}
if(-1 == listen(SocketFD, 10))
{
perror("error listen failed");
close(SocketFD);
exit(EXIT_FAILURE);
}
for(;;)
{
int ConnectFD = accept(SocketFD, NULL, NULL);
if(0 > ConnectFD)
{
perror("error accept failed");
close(SocketFD);
exit(EXIT_FAILURE);
}
/* perform read write operations ... */
shutdown(ConnectFD, SHUT_RDWR);
close(ConnectFD);
}
close(SocketFD);
return 0;
}
Python實現:
from socket import *
from time import ctime
HOST=''
PORT=1100
BUFSIZ=1024
ADDR=(HOST, PORT)
sock=socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
sock.bind(ADDR)
sock.listen(5)
while True:
print('waiting for connection')
tcpClientSock, addr=sock.accept()
print('connect from ', addr)
while True:
try:
data=tcpClientSock.recv(BUFSIZ)
except:
print(e)
tcpClientSock.close()
break
if not data:
break
s='Hi,you send me :[%s] %s' %(ctime(), data.decode('utf8'))
tcpClientSock.send(s.encode('utf8'))
print([ctime()], ':', data.decode('utf8'))
tcpClientSock.close()
sock.close()
建立一個客戶機連接涉及以下步驟:
socket()
建立插座。connect()
連接到伺服器,類似伺服器端的操作,將一個sin_family設為AF_INET,sin_port設為伺服器的監聽埠(依然要以網路位元組序),sin_addr設為伺服器IP位址的(還是要用網路位元組序)的sockaddr_in作為參數傳入。send()
和 recv()
或者 write()
和 read()
進行通訊。close()
終止連接。如果呼叫fork()
, 每個行程都要用close()
。 /* Client code in C */
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
struct sockaddr_in stSockAddr;
int Res;
int SocketFD = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (-1 == SocketFD)
{
perror("cannot create socket");
exit(EXIT_FAILURE);
}
memset(&stSockAddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
stSockAddr.sin_family = AF_INET;
stSockAddr.sin_port = htons(1100);
Res = inet_pton(AF_INET, "192.168.1.3", &stSockAddr.sin_addr);
if (0 > Res)
{
perror("error: first parameter is not a valid address family");
close(SocketFD);
exit(EXIT_FAILURE);
}
else if (0 == Res)
{
perror("char string (second parameter does not contain valid ipaddress");
close(SocketFD);
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (-1 == connect(SocketFD, (const struct sockaddr *)&stSockAddr, sizeof(struct sockaddr_in)))
{
perror("connect failed");
close(SocketFD);
exit(EXIT_FAILURE);
}
/* perform read write operations ... */
shutdown(SocketFD, SHUT_RDWR);
close(SocketFD);
return 0;
}
Python實現:
from socket import *
HOST='192.168.1.3'
PORT=1100
BUFSIZ=1024
ADDR=(HOST, PORT)
client=socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
client.connect(ADDR)
while True:
data=input('>')
if not data:
break
client.send(data.encode('utf8'))
data=client.recv(self.BUFSIZ)
if not data:
break
print(data.decode('utf8'))
使用者資料報協定(UDP)是一個不保證正確傳輸的無連接協定。 UDP封包可能會亂序到達,多次到達或者直接遺失。但是設計的負載比TCP小。
UDP位址空間,也即是UDP埠,和TCP埠是沒有關係的。
Code may set up a UDP server on port 7654 as follows:
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h> /* for close() for socket */
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
int sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
struct sockaddr_in sa;
char buffer[1024];
ssize_t recsize;
socklen_t fromlen;
memset(&sa, 0, sizeof(sa));
sa.sin_family = AF_INET;
sa.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
sa.sin_port = htons(7654);
if (-1 == bind(sock,(struct sockaddr *)&sa, sizeof(struct sockaddr)))
{
perror("error bind failed");
close(sock);
exit(EXIT_FAILURE);
}
for (;;)
{
printf ("recv test....\n");
recsize = recvfrom(sock, (void *)buffer, 1024, 0, (struct sockaddr *)&sa, &fromlen);
if (recsize < 0)
fprintf(stderr, "%s\n", strerror(errno));
printf("recsize: %d\n ",recsize);
sleep(1);
printf("datagram: %s\n",buffer);
}
}
上面的無限迴圈用recvfrom()接收給UDP埠7654的封包。使用如下參數:
同樣功能的Python實現:
import socket
port=7654
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
#从指定的端口,从任何发送者,接收UDP数据
s.bind(('',port))
print('正在等待接入...')
while True:
#接收一个数据
data,addr=s.recvfrom(1024)
print('Received:',data,'from',addr)
用UDP封包傳送一個"Hello World!" 給位址127.0.0.1(迴環位址),埠 7654 。
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h> /* for close() for socket */
int main(int argc, char *argv[])
{
int sock;
struct sockaddr_in sa;
int bytes_sent, buffer_length;
char buffer[200];
buffer_length = snprintf(buffer, sizeof(buffer), "Hello World!");
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
if (-1 == sock) /* if socket failed to initialize, exit */
{
printf("Error Creating Socket");
exit(EXIT_FAILURE);
}
memset(&sa, 0, sizeof(sa));
sa.sin_family = AF_INET;
sa.sin_addr.s_addr = htonl(0x7F000001);
sa.sin_port = htons(7654);
bytes_sent = sendto(sock, buffer, buffer_length, 0,(struct sockaddr*)&sa, sizeof (struct sockaddr_in));
if (bytes_sent < 0)
printf("Error sending packet: %s\n", strerror(errno));
close(sock); /* close the socket */
return 0;
}
buffer
指定要傳送資料的指標, buffer_length
指定快取內容的大小。
同樣功能的Python實現:
import socket
port=7654
host='localhost'
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
s.sendto(b'Hello World!',(host,port))
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