Linux下的Socket网络编程：一个简易聊天室的实现-徐慧军.doc

高级程序设计与应用实践报告
一个简易聊天室的实现

姓名：徐慧军
学号：2121134
专业：电子与通信工程
学院：信息科学与技术学院

任课教师：廖晓飞

2013年05月02日

Linux下的Socket网络编程：
——一个简易聊天室的实现
一 、socket介绍
socket接口是TCP/IP网络的API，socket接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解socket接口。
socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。如果了解Unix系统的输入和输出的话，就很容易了解socket了。网络的socket数据传输是一种特殊的I/O，socket也是一种文件描述符。socket也具有一个类似于打开文件的函数调用socket()，该函数返回一个整型的socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该socket实现的。常用的socket类型有两种：流式socket （SOCK_STREAM）和数据报式socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式socket是一种无连接的socket，对应于无连接的UDP服务应用。
二、Socket创建
　　socket函数原型为：
　　#include
　　#include
　　int socket(int domain, int type, int protocol);
　　功能：调用成功，返回socket文件描述符；失败，返回－1，并设置errno
　　参数说明：
　　domain指明所使用的协议族，通常为PF_INET，表示互联网协议族（TCP/IP协议 族；
　　type参数指定socket的类型：
　　SOCK_STREAM   提供有序、可靠、双向及基于连接的字节流
　　SOCK_DGRAM 支持数据报
　　SOCK_SEQPACKET 提供有序、可靠、双向及基于连接的数据报通信
　　SOCK_RAW 提供对原始网络协议的访问
　　SOCK_RDM 提供可靠的数据报层，但是不保证有序性
　　protocol通常赋值"0".
　　socket描述符是一个指向内部数据结构的指针，它指向描述符表入口。调用socket函数时，socket执行体将建立一个socket，实际上"建立一个socket"意味着为一个socket数据结构分配存储空间。socket执行体为你管理描述符表。
　　两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。socket数据结构中包含这五种信息。
三、Socket邦定
　　bind函数原型为：
　　#include
#include
　　int bind(int sock_fd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);
　　功能说明：将套接字和指定的端口相连。成功返回0，否则，返回－1，并置errno.
　　参数说明：sock_fd是调用socket函数返回的socket描述符,
　　my_addr是一个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针；
　　addrlen常被设置为sizeof(struct sockaddr)。
　　struct sockaddr结构类型是用来保存socket信息的：
　　struct sockaddr {
　　unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */
　　char sa_data[14]; /* 14 字节的协议地址 */
　　};
　　sa_family一般为AF_INET，代表Internet（TCP/IP）地址族；
　　sa_data则包含该socket的IP地址和端口号。
　　另外还有一种结构类型：
　　struct sockaddr_in {
　　short int sin_family; /* 地址族 */
　　unsigned short int sin_port; /* 端口号 */
　　struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */
　　unsigned char sin_zero[8]; /* 填充0 以保持与struct sockaddr同样大小 */
　　};
　　这个结构更方便使用。sin_zero用来将sockaddr_in结构填充到与struct sockaddr同样的长度，可以用bzero()或memset()函数将其置为零。指向sockaddr_in 的指针和指向sockaddr的指针可以相互转换，这意味着如果一个函数所需参数类型是sockaddr时，你可以在函数调用的时候将一个指向 sockaddr_in的指针转换为指向sockaddr的指针；或者相反。
　　使用bind函数时，可以用下面的赋值实现自动获得本机IP地址和随机获取一个没有被占用的端口号：
　　my_addr.sin_port = 0; /* 系统随机选择一个未被使用的端口号 */
　　my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 填入本机IP地址 */
　　通过将my_addr.sin_port置为0，函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用同样，通过将my_addr.sin_addr.s_addr置为INADDR_ANY，系统会自动填入本机IP地址。
　　注意在使用bind函数是需要将sin_port和sin_addr转换成为网络字节优先顺序。
　　计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先(大端和小端)。Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器，在Internet上传输数据时就需要进行转换，否则就会出现数据不一致。
　　下面是几个字节顺序转换函数：
　　·htonl()：把32位值从主机字节序转换成网络字节序
　　·htons()：把16位值从主机字节序转换成网络字节序
　　·ntohl()：把32位值从网络字节序转换成主机字节序
　　·ntohs()：把16位值从网络字节序转换成主机字节序
　　Bind()函数在成功被调用时返回0；出现错误时返回"-1"并将errno置为相应的错误号。
　　需要注意的是，在调用bind函数时一般不要将端口号置为小于1024的值，因为1到1024是保留端口号，你可以选择大于1024中的任何一个没有被占用的端口号。
四、连接
　　面向连接的客户程序使用connect函数来配置socket并与远端服务器建立一个TCP连接，其函数原型为：
　　#include>
　　#include
　　int connect(int sock_fd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);
　　功能说明：客户端发送服务请求。成功返回0，否则返回－1，并置errno。
　　参数说明：sock_fd 是socket函数返回的socket描述符；serv_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针；addrlen是远端地质结构的长度。
　　进行客户端程序设计无须调用bind()，因为这种情况下只需知道目的机器的IP地址，而客户通过哪个端口与服务器建立连接并不需要关心， socket执行体为你的程序自动选择一个未被占用的端口，并通知你的程序数据什么时候到端口。
　　connect函数启动和远端主机的直接连接。只有面向连接的客户程序使用socket时才需要将此socket与远端主机相连。无连接协议从不建立直接连接。面向连接的服务器也从不启动一个连接，它只是被动的在协议端口监听客户的请求。
五、监听
　　listen函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们。
　　int listen(int sock_fd， int backlog);
　　功能说明：等待指定的端口的出现客户端连接。调用成功返回0，否则，返回－1，并置errno.
　　参数说明：sock_fd 是socket系统调用返回的socket 描述符；
　　backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待accept()它们（参考下文）。
　　Backlog对队列中等待服务的请求的数目进行了限制，大多数系统缺省值为20。如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该socket将拒绝连接请求，客户将收到一个出错信息。
六、接受
　　accept()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用accept函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。
　　int acceptint sock_fd, void *addr, int *addrlen);
　　功能说明：用于接受客户端的服务请求，成功返回新的套接字描述符，失败返回－1，并置errno。
　　参数说明：sock_fd是被监听的socket描述符，addr通常是一个指向sockaddr_in变量的指针，该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息（某台主机从某个端口发出该请求）；addrten通常为一个指向值为sizeof(struct sockaddr_in)的整型指针变量。出现错误时accept函数返回-1并置相应的errno值。
　　首先，当accept函数监视的 socket收到连接请求时，socket执行体将建立一个新的socket，执行体将这个新socket和请求连接进程的地址联系起来，收到服务请求的初始socket仍可以继续在以前的 socket上监听，同时可以在新的socket描述符上进行数据传输操作。
七、数据传输
　　send()和recv()这两个函数用于面向连接的socket上进行数据传输。
　　send()函数原型为：
　　size_t send(int sock_fd, const void *msg, int len, int flags);
　　功能说明：发送数据。成功返回实际反送的数据的字节数。失败返回－1，并置errno.
　　参数说明： sock_fd是你想用来传输数据的socket描述符；msg是一个指向要发送数据的指针；len是以字节为单位的数据的长度；flags一般情况下置为0（关于该参数的用法可参照man手册）。
　　send()函数返回实际上发送出的字节数，可能会少于你希望发送的数据。在程序中应该将send()的返回值与欲发送的字节数进行比较。当send()返回值与len不匹配时，应该对这种情况进行处理。
　　char *msg = "Hello!";
　　int len, bytes_sent;
　　……
　　len = strlen(msg);
　　bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);
　　……
　　recv()函数原型为：
　　int recv(int sock_fd,void *buf,int len,unsigned int flags);
　　功能说明：接受数据，成功返回0，否则，返回－1，并设置errno。
　　参数说明：sock_fd是接受数据的socket描述符；buf 是存放接收数据的缓冲区；len是缓冲的长度。flags也被置为0。recv()返回实际上接收的字节数.
　　sendto()和recvfrom()用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。由于本地socket并没有与远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。
　　sendto()函数原型为：
　　int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen);
　　该函数比send()函数多了两个参数，to表示目地机的IP地址和端口号信息，而tolen常常被赋值为sizeof (struct sockaddr)。sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。
　　recvfrom()函数原型为：
　　int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);
　　from是一个struct sockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。fromlen常置为sizeof (struct sockaddr)。当recvfrom()返回时，fromlen包含实际存入from中的数据字节数。Recvfrom()函数返回接收到的字节数或当出现错误时返回-1，并置相应的errno。
　　如果你对数据报socket调用了connect()函数时，你也可以利用send()和recv()进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并且利用传输层的UDP服务。但在发送或接收数据报时，内核会自动为之加上目地和源地址信息。
八、结束传输
　　当所有的数据操作结束以后，你可以调用close()函数来释放该socket，从而停止在该socket上的任何数据操作：
　　int close(sock_fd);
　　你也可以调用shutdown()函数来关闭该socket。该函数允许你只停止在某个方向上的数据传输，而一个方向上的数据传输继续进行。如你可以关闭某socket的写操作而允许继续在该socket上接受数据，直至读入所有数据。
　　int shutdown(int sock_fdint how);
　　sockfd是需要关闭的socket的描述符。参数 how允许为shutdown操作选择以下几种方式：
　　·0-------不允许继续接收数据
　　·1-------不允许继续发送数据
　　·2-------不允许继续发送和接收数据，
　　·均为允许则调用close ()
　　shutdown在操作成功时返回0，在出现错误时返回-1并置相应errno。
九、简易聊天室的实现
程序介绍：本聊天室程序在虚拟机的ubuntu下，采用C语言实现，结构为Client/Server结构;服务端程序通过共享存储区存储聊天数据，并发送给每个连接的客户端；服务端程序和客户端程序都是通过父子进程分别负责发送和接收数据的，以避免数据冲撞；需按以下格式调用客户端程序：client.exe 服务端主机IP 端口号(本程序设定为：3490) 用户名(在聊天室中显示的用户名)。
程序截图:
//--------------------------------服务端----------------------------------------------

//--------------------------------客户端1：xhj1------------------------------------------

//------客户端2：蜡笔小新--------------------------------------

附录
程序代码如下：
//--------------------------------server.c--------------------------------------------------
//包含工程所需的头文件
#include
#include
#include //数据类型定义
#include
#include //定义数据结构sockaddr_in
#include //提供socket函数及数据结构
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
#define MYPORT 3490 //宏定义定义通信端口
#define BACKLOG 10 //宏定义，定义服务程序可以连接的最大客户数量
#define WELCOME "|----------Welcome to the chat room! ----------|" //宏定义，当客户端连接服务端时，想客户发送此欢迎字符串
//转换函数，将int类型转换成char *类型
void itoa(int i,char*string)
{
int power,j;
j=i;
for(power=1;j>=10;j/=10)
power*=10;
for(;power>0;power/=10)
{
*string++='0'+i/power;
i%=power;
}
*string='\0';
}

//得到当前系统时间
void get_cur_time(char * time_str)
{
time_t timep;
struct tm *p_curtime;
char *time_tmp;
time_tmp=(char *)malloc(2);
memset(time_tmp,0,2);

memset(time_str,0,20);
time(&timep);
p_curtime = localtime(&timep);
strcat(time_str," (");
itoa(p_curtime->tm_hour,time_tmp);
strcat(time_str,time_tmp);
strcat(time_str,":");
itoa(p_curtime->tm_min,time_tmp);
strcat(time_str,time_tmp);
strcat(time_str,":");
itoa(p_curtime->tm_sec,time_tmp);
strcat(time_str,time_tmp);
strcat(time_str,")");
free(time_tmp);
}
//创建共享存储区
key_t shm_create()
{
key_t shmid;
//shmid = shmget(IPC_PRIVATE,1024,PERM);
if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE,1024,PERM)) == -1)
{
fprintf(stderr,"Create Share Memory Error:%s\n\a",strerror(errno));
exit(1);
}
return shmid;
}
//端口绑定函数,创建套接字，并绑定到指定端口
int bindPort(unsigned short int port)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in my_addr;
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建基于流套接字
my_addr.sin_family = AF_INET;//IPv4协议族
my_addr.sin_port = htons(port);//端口转换
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bzero(&(my_addr.sin_zero),0);

if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&my_addr,sizeof(struct sockaddr)) == -1)
{
perror("bind");
exit(1);
}
printf("bing success!\n");
return sockfd;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfdclientfd,sin_size,recvbytes; //定义监听套接字、客户套接字
pid_t pid,ppid; //定义父子线程标记变量
char *buf, *r_addr, *w_addr, *temp, *time_str;//="\0"; //定义临时存储区
struct sockaddr_in their_addr; //定义地址结构
key_t shmid;

shmid = shm_create(); //创建共享存储区

temp = (char *)malloc(255);
time_str=(char *)malloc(20);
sockfd = bindPort(MYPORT);//绑定端口
while(1)
{
if(listen(sockfd,BACKLOG) == -1)//在指定端口上监听
{
perror("listen");
exit(1);
}
printf("listening......\n");
if((clientfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&their_addr,&sin_size)) == 1)//接收客户端连接
{
perror("accept");
exit(1);
}
printf("accept from:%d\n",inet_ntoa(their_addr.sin_addr));
send(clientfd,WELCOME,strlen(WELCOME),0);//发送问候信息
buf = (char *)malloc(255);

ppid = fork();//创建子进程
if(ppid == 0)
{
//printf("ppid=0\n");
pid = fork(); //创建子进程
while(1)
{
if(pid > 0)
{
//父进程用于接收信息
memset(buf,0,255);
//printf("recv\n");
//sleep(1);
if((recvbytes = recv(clientfd,buf,255,0)) <= 0)
{

perror("recv1");
close(clientfd);
raise(SIGKILL);
exit(1);
}
//write buf's data to share memory
w_addr = shmat(shmid, 0, 0);
memset(w_addr, '\0', 1024);
strncpy(w_addr, buf, 1024)
get_cur_time(time_str);
strcat(buf,time_str);
printf(" %s\n",buf);
}
else if(pid == 0)
{
//子进程用于发送信息
//scanf("%s",buf);
sleep(1);
r_addr = shmat(shmid, 0, 0);
//printf("-s\n",r_addr);
//printf("cmp:%d\n",strcmp(temp,r_addr));
if(strcmp(temp,r_addr) != 0)
{
strcpy(temp,r_addr);
get_cur_time(time_str);
strcat(r_addr,time_str);
//printf("discriptor:%d\n",clientfd);
//if(send(clientfd,buf,strlen(buf),0) == -1)
if(send(clientfd,r_addr,strlen(r_addr),0) == -1)
{
perror("send");
}
memset(r_addr, '\0', 1024);
strcpy(r_addr,temp);
}
}
else
perror("fork");
}
}
}
printf("------------------------------\n");
free(buf);
close(sockfd);
close(clientfd);
return 0;
}

//-----------------------------client.c-------------------------------------------------
//包含工程所需的头文件
#include>
#include //定义数据结构sockaddr_in
#include //提供socket函数及数据结构
#include //数据类型定义
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sockaddr_in clientaddr;//定义地址结构
pid_t pid;
int clientfd,sendbytes,recvbytes;//定义客户端套接字
struct hostent *host;
char *buf,*buf_r;
if(argc < 4)
{
printf("usage:\n");
printf("%s host port name\n",argv[0]);
exit(1);
}
host = gethostbyname(argv[1]);
if((clientfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) == -1) //创建客户端套接字
{
perror("socket\n");
exit(1);
}
//绑定客户端套接字
clientaddr.sin_family = AF_INET;
clientaddr.sin_port = htons((uint16_t)atoi(argv[2]));
clientaddr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
bzero(&(clientaddr.sin_zero),0);
if(connect(clientfd,(struct sockaddr *)&clientaddr,sizeof(struct sockaddr)) == -1) //连接服务端
{
perror("connect\n");
exit(1);
}
buf=(char *)malloc(120);
memset(buf,0,120);
buf_r=(char *)malloc(100);

if( recv(clientfd,buf,100,0) == -1)
{
perror"recv:");
exit(1);
}
printf("\n%s\n",buf);

pid = fork();//创建子进程
while(1)
{
if(pid > 0){
//父进程用于发送信息

//get_cur_time(time_str);

strcpy(buf,argv[3]);
strcat(buf,":");
memset(buf_r,0,100);
//gets(buf_r);
fgets(buf_r,100,stdin);
strncat(buf,buf_r,strlen(buf_r)-1);
//strcat(buf,time_str);
//printf("---%s\n",buf);
if((sendbytes = send(clientfd,buf,strlen(buf),0)) == -1)
{
perror("send\n");
exit(1);
}
}
else if(pid == 0)
{
//子进程用于接收信息
memset(buf,0,100);
if(recv(clientfd,buf,100,0) <= 0)
{
perror("recv:");
close(clientfd);
raise(SIGSTOP);
exit(1);
}
printf("%s\n",buf);
}
else
perror("fork");
}
close(clientfd);
return 0;
}
实现结果如下：