Linux 系统应用编程——网络编程（高级篇）

一、网络超时检测

        在网络通信过程中，经常会出现不可预知的各种情况。例如网络线路突发故障、通信一方异常结束等。一旦出现上述情况，很可能长时间都不会收到数据，而且无法判断是没有数据还是数据无法到达。如果使用的是TCP协议，可以检测出来；但如果使用UDP协议的话，需要在程序中进行相关检测。所以，为避免进程在没有数据时无限制的阻塞，使用网络超时检测很有必要。


1、套接字接收超时检测

        这里先介绍设置套接字选项的函数 setsockopt() 函数：

所需头文件#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
函数原型int setsockopt (int sockfd, int level, int optname, 
                              const void *optval, socklen_t optlen );
函数参数sockfd：套接字描述符
level：选项所属协议层
optval：保存选项值的缓冲区
optlen：选项值的长度
函数返回值成功：0
出错：-1，并设置 errno

下面是套接字常用选项及其说明：

LEVEL：SOL_SOCKET

选项名称说明数据类型
SO_BROADCAST允许发送广播数据int
SO_DEBUG允许调试int
SO_DONTRUOTE不查找路由int
SO_ERROR获得套接字错误int
SO_KEEPALIVE保持连接int
SO_LINGER延迟关闭连接struct linger
SO_OOBINLINE带外数据放入正常数据流int
SO_RCVBUF接收缓冲区大小int
SO_SNDBUF发送缓冲区大小int
SO_RCVTIMEO接收超时struct timeval
SO_SNDTIMEO发送超时struct timeval
SO_REUSERADDR允许重用本地地址和端口int
SO_TYPE获得套接字类型int

下面利用SO_RCVTIMEO的选项实现套接字的接收超时检测：

[cpp] view plaincopy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <string.h>  
  3. #include <stdlib.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <sys/types.h>  
  6. #include <sys/socket.h>  
  7. #include <netinet/in.h>  
  8. #include <arpa/inet.h>  
  9. #define N 64  
  10. #define PORT 8888  
  11.   
  12. int main()  
  13. {  
  14.     int sockfd;  
  15.     char buf[N];  
  16.     struct sockaddr_in seraddr;  
  17.     struct timeval t = {6, 0};  
  18.   
  19.     if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)  
  20.     {  
  21.         perror("socket error");  
  22.         exit(-1);  
  23.     }  
  24.     else  
  25.     {  
  26.         printf("socket successfully!\n");  
  27.         printf("sockfd:%d\n",sockfd);  
  28.     }  
  29.   
  30.     memset(&seraddr, 0, sizeof(seraddr));  
  31.     seraddr.sin_family = AF_INET;  
  32.     seraddr.sin_port = htons(PORT);  
  33.     seraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
  34.   
  35.     if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)) == -1)  
  36.     {  
  37.         perror("bind error");  
  38.         exit(-1);  
  39.     }  
  40.     else  
  41.     {  
  42.         printf("bind successfully!\n");  
  43.         printf("PORT:%d\n",PORT);  
  44.     }  
  45.   
  46.     if(setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &t, sizeof(t)) < 0)  
  47.     {  
  48.         perror("setsockopt error");  
  49.         exit(-1);  
  50.     }  
  51.   
  52.     if(recvfrom(sockfd, buf, N, 0, NULL, NULL) < 0)  
  53.     {  
  54.         perror("fail to recvfrom");  
  55.         exit(-1);  
  56.     }  
  57.     else  
  58.     {  
  59.         printf("recv data: %s\n",buf);  
  60.     }  
  61.   
  62.     return 0;  
  63. }  

执行结果如下：

[cpp] view plaincopy
  1. fs@ubuntu:~/qiang/socket/time$ ./setsockopt   
  2. socket successfully!  
  3. sockfd:3  
  4. bind successfully!  
  5. PORT:8888  
  6. fail to recvfrom: Resource temporarily unavailable  
  7. fs@ubuntu:~/qiang/socket/time$   
可以看到，6s之内没有数据包到来，程序会从 recvfrom 函数返回，进行相应的错误处理。

注意：套接字一旦设置了超时之后，每一次发送或接收时都会检测，如果要取消超时检测，重新用setsockopt函数设置即可（把时间值指定为 0）。


2、定时器超时检测

       这里利用定时器信号SIGALARM，可以在程序中创建一个闹钟。当到达目标时间后，指定的信号处理函数被执行。这样同样可以利用SIGALARM信号实现检测，下面分别介绍相关数据类型和函数。

struct sigaction 是 Linux 中用来描述信号行为的结构体类型，其定义如下：

[cpp] view plaincopy
  1. struct sigaction  
  2. {  
  3.     void (*sa_handler) (int);  
  4.     void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);  
  5.     sigset_t sa_mask;  
  6.     int sa_flags;  
  7.     void (*sa_restorer) (void);  
  8. }  

①  sa_handler：此参数和signal()的参数handler相同，此参数主要用来对信号旧的安装函数signal()处理形式的支持；
②  sa_sigaction：新的信号安装机制，处理函数被调用的时候，不但可以得到信号编号，而且可以获悉被调用的原因以及产生问题的上下文的相关信息。
③  sa_mask：用来设置在处理该信号时暂时将sa_mask指定的信号搁置；
④  sa_restorer： 此参数没有使用；
⑤  sa_flags：用来设置信号处理的其他相关操作，下列的数值可用。可用OR 运算（|）组合：
                      ŸA_NOCLDSTOP:如果参数signum为SIGCHLD，则当子进程暂停时并不会通知父进程
                      SA_ONESHOT/SA_RESETHAND:当调用新的信号处理函数前，将此信号处理方式改为系统预设的方式
                      SA_RESTART:被信号中断的系统调用会自行重启
                      SA_NOMASK/SA_NODEFER:在处理此信号未结束前不理会此信号的再次到来
                      SA_SIGINFO：信号处理函数是带有三个参数的sa_sigaction。


所需头文件#include <signal.h>
函数原型int sigaction(int signum,  const struct sigaction *act ,
                                                       struct sigaction *oldact );
函数传入值signum：可以指定SIGKILL和SIGSTOP以外的所有信号
act        ：act 是一个结构体，里面包含信号处理函数的地址、
                  处理方式等信息；
oldact  ：参数oldact 是一个传出参数，sigaction 函数调用成功后，
                  oldact 里面包含以前对 signum 信号的处理方式的信息；
函数返回值成功：0
出错：-1

使用定时器信号检测超时的示例代码如下：

[cpp] view plaincopy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <string.h>  
  3. #include <stdlib.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <signal.h>  
  6. #include <sys/types.h>  
  7. #include <sys/socket.h>  
  8. #include <netinet/in.h>  
  9. #include <arpa/inet.h>  
  10. #define N 64  
  11. #define PORT 8888  
  12.   
  13. void handler(int signo)  
  14. {  
  15.     printf("interrupted by SIGALRM\n");  
  16. }  
  17.   
  18. int main()  
  19. {  
  20.     int sockfd;  
  21.     char buf[N];  
  22.     struct sockaddr_in seraddr;  
  23.     struct sigaction act;  
  24.   
  25.     if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)  
  26.     {  
  27.         perror("socket error");  
  28.         exit(-1);  
  29.     }  
  30.     else  
  31.     {  
  32.         printf("socket successfully!\n");  
  33.         printf("sockfd:%d\n",sockfd);  
  34.     }  
  35.   
  36.     memset(&seraddr, 0, sizeof(seraddr));  
  37.     seraddr.sin_family = AF_INET;  
  38.     seraddr.sin_port = htons(PORT);  
  39.     seraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
  40.   
  41.     if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)) == -1)  
  42.     {  
  43.         perror("bind error");  
  44.         exit(-1);  
  45.     }  
  46.     else  
  47.     {  
  48.         printf("bind successfully!\n");  
  49.         printf("PORT:%d\n",PORT);  
  50.     }  
  51.   
  52.     sigaction(SIGALRM, NULL, &act);  
  53.     act.sa_handler = handler;  
  54.     act.sa_flags &= ~SA_RESTART;  
  55.     sigaction(SIGALRM, &act, NULL);  
  56.   
  57.     alarm(6);  
  58.     if(recvfrom(sockfd, buf, N, 0, NULL, NULL) < 0)  
  59.     {  
  60.         perror("fail to recvfrom");  
  61.         exit(-1);  
  62.     }  
  63.     printf("recv data: %s\n",buf);  
  64.     alarm(0);  
  65.   
  66.     return 0;  
  67. }  
执行结果如下：

[cpp] view plaincopy
  1. fs@ubuntu:~/qiang/socket/time$ ./alarm   
  2. socket successfully!  
  3. sockfd:3  
  4. bind successfully!  
  5. PORT:8888  
  6. interrupted by SIGALRM  
  7. fail to recvfrom: Interrupted system call  
  8. fs@ubuntu:~/qiang/socket/time$   


二、广播

        前面的网络通信中，采用的都是单播（唯一的发送方和接收方）的方式。很多时候，需要把数据同时发送给局域网中的所有主机。例如，通过广播ARP包获取目标主机的MAC地址。


1、广播地址

       IP地址用来标识网络中的一台主机。IPv4 协议用一个 32 位的无符号数表示网络地址，包括网络号和主机号。子网掩码表示 IP 地址中网络和占几个字节。对于一个 Ｃ类地址来说，子网掩码为　255.255.255.0。

        每个网段都有其对应的广播地址。以 C 类地址网段 192.168.1.x为例，其中最小的地址 192.168.1.0 代表该网段；而最大的地址192.168.1.255 则是该网段中的广播地址。当我们向这个地址发送数据包时，该网段中所以的主机都会接收并处理。

       注意：发送广播包时，目标IP 为广播地址而目标 MAC 是 ff:ff:ff:ff:ff。


2、广播包的发送和接收

广播包的发送和接收通过UDP套接字实现。

1）广播包发送流程如下：

创建udp 套接字

指定目标地址和端口

设置套接字选项允许发送广播包

发送数据包


发送广播包的示例如下：

[cpp] view plaincopy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <string.h>  
  3. #include <stdlib.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <sys/types.h>  
  6. #include <sys/socket.h>  
  7. #include <netinet/in.h>  
  8. #include <arpa/inet.h>  
  9. #define N 64  
  10. #define PORT 8888  
  11.   
  12. int main()  
  13. {  
  14.     int sockfd;  
  15.     int on = 1;  
  16.     char buf[N] = "This is a broadcast package!";  
  17.     struct sockaddr_in dstaddr;  
  18.   
  19.     if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)  
  20.     {  
  21.         perror("socket error");  
  22.         exit(-1);  
  23.     }  
  24.     else  
  25.     {  
  26.         printf("socket successfully!\n");  
  27.         printf("sockfd:%d\n",sockfd);  
  28.     }  
  29.   
  30.     memset(&dstaddr, 0, sizeof(dstaddr));  
  31.     dstaddr.sin_family = AF_INET;  
  32.     dstaddr.sin_port = htons(PORT);  
  33.     dstaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.255"); // 192.168.1.x 网段的广播地址  
  34.   
  35.     if(setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &on, sizeof(on)) < 0) //套接字默认不允许发送广播包，通过修改 SO_BROADCAST 选项使能  
  36.     {  
  37.         perror("setsockopt error");  
  38.         exit(-1);  
  39.     }  
  40.   
  41.     while(1)  
  42.     {  
  43.         sendto(sockfd, buf, N, 0,(struct sockaddr *)&dstaddr, sizeof(dstaddr));  
  44.         sleep(1);  
  45.     }  
  46.   
  47.     return 0;  
  48. }  


2）、广播包接收流程

广播包接收流程如下：

创建ＵＤＰ套接字

绑定地址

接收数据包


接收包示例如下：

[cpp] view plaincopy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <string.h>  
  3. #include <stdlib.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <sys/types.h>  
  6. #include <sys/socket.h>  
  7. #include <netinet/in.h>  
  8. #include <arpa/inet.h>  
  9. #define N 64  
  10. #define PORT 8888  
  11.   
  12. int main()  
  13. {  
  14.     int sockfd;  
  15.     char buf[N];  
  16.     struct sockaddr_in seraddr;  
  17.     socklen_t peerlen = sizeof(seraddr);  
  18.   
  19.     if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)  
  20.     {  
  21.         perror("socket error");  
  22.         exit(-1);  
  23.     }  
  24.     else  
  25.     {  
  26.         printf("socket successfully!\n");  
  27.         printf("sockfd:%d\n",sockfd);  
  28.     }  
  29.   
  30.     memset(&seraddr, 0, sizeof(seraddr));  
  31.     seraddr.sin_family = AF_INET;  
  32.     seraddr.sin_port = htons(PORT);  
  33.     seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.255"); //接收方绑定广播地址  
  34.   
  35.     if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)) == -1)  
  36.     {  
  37.         perror("bind error");  
  38.         exit(-1);  
  39.     }  
  40.     else  
  41.     {  
  42.         printf("bind successfully!\n");  
  43.         printf("PORT:%d\n",PORT);  
  44.     }  
  45.   
  46.     while(1)  
  47.     {  
  48.         if(recvfrom(sockfd, buf, N, 0, (struct sockaddr *)&seraddr, &peerlen) < 0)  
  49.         {  
  50.             perror("fail to recvfrom");  
  51.             exit(-1);  
  52.         }  
  53.         else  
  54.         {  
  55.             printf("[%s:%d]",inet_ntoa(seraddr.sin_addr),ntohs(seraddr.sin_port));  
  56.             printf("%s\n",buf);  
  57.         }  
  58.     }  
  59.     return 0;  
  60. }  

执行结果如下

[cpp] view plaincopy
  1. fs@ubuntu:~/qiang/socket/guangbo$ ./guangbore   
  2. socket successfully!  
  3. sockfd:3  
  4. bind successfully!  
  5. PORT:8888  
  6. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  7. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  8. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  9. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  10. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  11. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  12. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  13. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  14. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  15. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  16. [127.0.0.1:56195]This is a broadcast package!  
  17.   
  18. ．．．  

3、组播

      通过广播可以很方便地实现发送数据包给局域网中的所有主机。但广播同样存在一些问题，例如，频繁地发送广播包造成所以主机数据链路层都会接收并交给上层 协议处理，也容易引起局域网的网络风暴。

      下面介绍一种数据包发送方式成为组播或多播。组播可以看成是单播和广播的这种。当发送组播数据包时，至于加入指定多播组的主机数据链路层才会处理，其他主机在数据链路层会直接丢掉收到的数据包。换句话说，我们可以通过组播的方式和指定的若干主机通信。


1、组播地址

IPv4 地址分为以下5类。

A类地址：最高位为0，主机号占24位，地址范围从 1.0.0.1到 126.255.255.254。

B类地址：最高两位为10，主机号占16位，地址范围从 128.0.0.1 到 191.254.255.254。

C类地址：最高3位为110，主机号占8位，地址范围从 192.0.1.1 到 223.255.254.254。

D类地址：最高4位为1110，地址范围从192.0.1.1到 223.255.254.254。

E类地址保留。

其中D类地址呗成为组播地址。每一个组播地址代表一个多播组。


2、组播包的发送和接收

组播包的发送和接收也通过UDP套接字实现。

1））组播发送流程如下：

创建ＵＤＰ套接字

指定目标地址和端口

发送数据包


程序中，紧接着bind有一个setsockopt操作，它的作用是将socket加入一个组播组，因为socket要接收组播地址224.0.0.1的数据，它就必须加入该组播组。

结构体struct ip_mreq mreq是该操作的参数，下面是其定义：

[cpp] view plaincopy
  1. struct ip_mreq  
  2. {  
  3.     struct in_addr imr_multiaddr;   // 组播组的IP地址。  
  4.     struct in_addr imr_interface;   // 本地某一网络设备接口的IP地址。  
  5. };  
一台主机上可能有多块网卡，接入多个不同的子网，imr_interface参数就是指定一个特定的设备接口，告诉协议栈只想在这个设备所在的子网中加入某个组播组。有了这两个参数，协议栈就能知道：在哪个网络设备接口上加入哪个组播组。

发送组播包的示例代码如下：

[cpp] view plaincopy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <string.h>  
  3. #include <stdlib.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <sys/types.h>  
  6. #include <sys/socket.h>  
  7. #include <netinet/in.h>  
  8. #include <arpa/inet.h>  
  9. #define N 64  
  10. #define PORT 8888  
  11.   
  12. int main()  
  13. {  
  14.     int sockfd;  
  15.     char buf[N] = "This is a multicast package!";  
  16.     struct sockaddr_in dstaddr;  
  17.   
  18.     if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)  
  19.     {  
  20.         perror("socket error");  
  21.         exit(-1);  
  22.     }  
  23.     else  
  24.     {  
  25.         printf("socket successfully!\n");  
  26.         printf("sockfd:%d\n",sockfd);  
  27.     }  
  28.   
  29.     memset(&dstaddr, 0, sizeof(dstaddr));  
  30.     dstaddr.sin_family = AF_INET;  
  31.     dstaddr.sin_port = htons(PORT);  
  32.     dstaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("224.10.10.1"); //绑定组播地址  
  33.   
  34.     while(1)  
  35.     {  
  36.         sendto(sockfd, buf, N, 0,(struct sockaddr *)&dstaddr, sizeof(dstaddr));  
  37.         sleep(1);  
  38.     }  
  39.   
  40.     return 0;  
  41. }  

2)组播包接收流程

组播包接收流程如下

创建UDP套接字

加入多播组

绑定地址和端口

接收数据包


组播包接收流程如下：

[cpp] view plaincopy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <string.h>  
  3. #include <stdlib.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <sys/types.h>  
  6. #include <sys/socket.h>  
  7. #include <netinet/in.h>  
  8. #include <arpa/inet.h>  
  9. #define N 64  
  10. #define PORT 8888  
  11.   
  12. int main()  
  13. {  
  14.     int sockfd;  
  15.     char buf[N];  
  16.     struct ip_mreq mreq;  
  17.     struct sockaddr_in seraddr,myaddr;  
  18.     socklen_t peerlen = sizeof(seraddr);  
  19.   
  20.     if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)  
  21.     {  
  22.         perror("socket error");  
  23.         exit(-1);  
  24.     }  
  25.     else  
  26.     {  
  27.         printf("socket successfully!\n");  
  28.         printf("sockfd:%d\n",sockfd);  
  29.     }  
  30.   
  31.   
  32.     memset(&mreq, 0, sizeof(mreq));  
  33.     mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("224.10.10.1"); //加入多播组,允许数据链路层处理指定组播包  
  34.     mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
  35.     if(setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0)  
  36.     {  
  37.         perror("fail to setsockopt");  
  38.         exit(-1);  
  39.     }  
  40.   
  41.     memset(&seraddr, 0, sizeof(myaddr));//为套接字绑定组播地址和端口  
  42.     myaddr.sin_family = AF_INET;  
  43.     myaddr.sin_port = htons(PORT);  
  44.     myaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("224.10.10.1");  
  45.   
  46.     if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&myaddr, sizeof(myaddr)) == -1)  
  47.     {  
  48.         perror("bind error");  
  49.         exit(-1);  
  50.     }  
  51.     else  
  52.     {  
  53.         printf("bind successfully!\n");  
  54.         printf("PORT:%d\n",PORT);  
  55.     }  
  56.   
  57.     while(1)  
  58.     {  
  59.         if(recvfrom(sockfd, buf, N, 0, (struct sockaddr *)&seraddr, &peerlen) < 0)  
  60.         {  
  61.             perror("fail to recvfrom");  
  62.             exit(-1);  
  63.         }  
  64.         else  
  65.         {  
  66.             printf("[%s:%d]",inet_ntoa(seraddr.sin_addr),ntohs(seraddr.sin_port));  
  67.             printf("%s\n",buf);  
  68.         }  
  69.     }  
  70.     return 0;  
  71. }  

执行结果如下：

[cpp] view plaincopy
  1. fs@ubuntu:~/qiang/socket/zubo$ ./zubore   
  2. socket successfully!  
  3. sockfd:3  
  4. bind successfully!  
  5. PORT:8888  
  6. [192.168.1.2:53259]This is a multicast package!  
  7. [192.168.1.2:53259]This is a multicast package!  
  8. [192.168.1.2:53259]This is a multicast package!  
  9. [192.168.1.2:53259]This is a multicast package!  
  10. [192.168.1.2:53259]This is a multicast package!  
  11. [192.168.1.2:53259]This is a multicast package!  
  12. [192.168.1.2:53259]This is a multicast package!  
  13. [192.168.1.2:53259]This is a multicast package!  
  14. [192.168.1.2:53259]This is a multicast package!  
  15.   
  16. ....  

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