《網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》課件第3章 UDP套接字與原始套接字的編程

第3章UDP套接字與原始套接字的編程3.1概述3.2UDP套接字編程3.3連接UDP套接字的功能3.4UDP編程中的錯(cuò)誤檢測(cè)及處理方法3.5UDP套接字在OICQ服務(wù)中的應(yīng)用3.6原始套接字3.7服務(wù)器編程模型習(xí)題3.1概述 Internet協(xié)議簇支持一個(gè)面向無(wú)連接的傳輸協(xié)議

用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP，UserDatagramProtocol)。UDP協(xié)議向應(yīng)用程序提供了一種發(fā)送經(jīng)過(guò)封裝的IP數(shù)據(jù)報(bào)的方法，而且不需要在發(fā)送方和接收方之間建立連接就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)通信。

UDP協(xié)議與TCP協(xié)議提供的服務(wù)不同，所以基于UDP協(xié)議的應(yīng)用程序同基于TCP的應(yīng)用程序有不相同的地方，它們的編程模型也不相同。圖3-1給出了典型的UDP客戶機(jī)/服務(wù)器程序的函數(shù)調(diào)用模型。圖3-1UDP客戶機(jī)/服務(wù)器程序的編程模型

在前面的章節(jié)中，已經(jīng)介紹了基于TCP套接字編程的函數(shù)調(diào)用模型，比較TCP和UDP編程模型可以看出，UDP協(xié)議不需要事先在客戶機(jī)、服務(wù)器程序之間建立連接。服務(wù)器端在調(diào)用socket函數(shù)生成一個(gè)UDP套接字后，利用bind函數(shù)將套接字與本地IP、端口號(hào)綁定，然后，服務(wù)器端調(diào)用recvfrom函數(shù)等待接收由客戶端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)?？蛻魴C(jī)首先調(diào)用socket函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)UDP套接字，然后利用sendto函數(shù)將請(qǐng)求包發(fā)送至服務(wù)器端；服務(wù)器端收到請(qǐng)求包后，根據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行處理，調(diào)用sendto函數(shù)將處理結(jié)果作為應(yīng)答數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機(jī)?？蛻魴C(jī)調(diào)用recvfrom函數(shù)接收服務(wù)器端發(fā)送來(lái)的應(yīng)答數(shù)據(jù)。當(dāng)通信結(jié)束后，客戶機(jī)調(diào)用close函數(shù)關(guān)閉UDP套接字，而服務(wù)器端可以保留已建立的UDP套接字繼續(xù)與其他客戶機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。3.2UDP套接字編程 3.1節(jié)中已介紹了基于UDP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)編程的一般模型，其中涉及到了在套接字編程中曾簡(jiǎn)單介紹過(guò)的數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送和接收函數(shù)sendto和recvfrom，下面我們列出可用于數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送、接收的高級(jí)套接字函數(shù)。這些函數(shù)是：

#include<sys/types.h>

#include<sys/socket.h>

#include<sys/uio.h>

intsendto(intfd，char*buf，intlen，intflags，structsockaddr*toaddr，intaddrlen);

intrecvfrom(intfd，char*buf，intlen，intflags，structsockaddr*fromaddr，

intaddrlen);

intsendmsg(intfd，structmsghdr*msgp，intflags);

intrecvmsg(intfd，structmsghdr*msgp，intflags); UDP套接字在通信中發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)報(bào)為單位的。當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用函數(shù)sendto發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先應(yīng)將數(shù)據(jù)封裝生成一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)，然后發(fā)送；當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用函數(shù)recvfrom接收數(shù)據(jù)時(shí)。UDP協(xié)議將返回一個(gè)完整的UDP數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)內(nèi)容。在使用UDP套接字進(jìn)行編程時(shí)，我們必須注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)?UDP套接字在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)因發(fā)送緩沖區(qū)而出現(xiàn)阻塞。UDP協(xié)議沒(méi)有專門(mén)為UDP套接字設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)，當(dāng)應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用函數(shù)sendto來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該函數(shù)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)從用戶緩沖區(qū)拷貝到系統(tǒng)緩沖區(qū)，然后返回。UDP協(xié)議進(jìn)一步把數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)，然后將這個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)傳送給低層的IP協(xié)議，從而完成UDP數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送任務(wù)。UDP協(xié)議是不可靠的協(xié)議，它沒(méi)有必要保留已經(jīng)發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)報(bào)內(nèi)容。所以，UDP套接字只有一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)大小，而這個(gè)大小就是可以發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度。如果應(yīng)用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)量大于這個(gè)限制值，函數(shù)sendto將以錯(cuò)誤返回，錯(cuò)誤類型是EMSGSIZE。UDP套接字的發(fā)送緩沖區(qū)大小是不會(huì)發(fā)生變化的，所以，只要應(yīng)用程序保證調(diào)用函數(shù)sendto發(fā)送的數(shù)據(jù)量小于這個(gè)限制值，發(fā)送操作總能夠成功。因此，應(yīng)用程序使用UDP套接字發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)因發(fā)送緩沖區(qū)而出現(xiàn)阻塞。圖3-2UDP套接字接收緩沖區(qū)

UDP套接字的接收緩沖區(qū)的大小是有限制的，當(dāng)接收到新的UDP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，如果這個(gè)UDP套接字的接收緩沖區(qū)隊(duì)列已經(jīng)滿了，那么UDP協(xié)議將丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，并且不向發(fā)送方返回任何錯(cuò)誤信息。這種操作也是由UDP協(xié)議不保證接收數(shù)據(jù)的可靠性的特點(diǎn)所決定的。

(3)?UDP服務(wù)器采用循環(huán)服務(wù)器的工作方式，不會(huì)被某一個(gè)客戶機(jī)獨(dú)占，但客戶機(jī)可能被阻塞。UDP通信模式中，服務(wù)器一般采用循環(huán)服務(wù)器工作模式。在服務(wù)器與客戶機(jī)之間不需要建立連接，UDP服務(wù)器能夠交替地處理來(lái)自多個(gè)客戶機(jī)的請(qǐng)求，這就意味著服務(wù)器在前后兩次循環(huán)處理的請(qǐng)求可以是不同客戶機(jī)的請(qǐng)求，任何一個(gè)客戶機(jī)都無(wú)法獨(dú)占服務(wù)器。 (4)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需指定接收方的地址。UDP套接字是面向無(wú)連接的套接字的，所以在套接字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中不會(huì)保存接收方的IP地址及其端口號(hào)。如果應(yīng)用程序要發(fā)送數(shù)據(jù)，就需要在調(diào)用發(fā)送函數(shù)sendto的同時(shí)指定接收方的地址。當(dāng)應(yīng)用程序接收數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，如果需要知道發(fā)送者的地址，則可以在調(diào)用接收函數(shù)recvfrom中提供空間由內(nèi)核來(lái)填充；如果不關(guān)心對(duì)方的地址，則可以將函數(shù)recvfrom的參數(shù)from設(shè)置為空指針NULL，同時(shí)也必須將參數(shù)addrlen設(shè)置為NULL。

(5)在需要多點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，使用UDP套接字。目前，TCP協(xié)議不支持多點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，因?yàn)椋绻褂肨CP協(xié)議進(jìn)行多點(diǎn)傳送的話，就必須要為每一個(gè)傳送建立一個(gè)連接。所以，在需要多點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)時(shí)就往往采用UDP協(xié)議。 /**********************函數(shù)udps_respon負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)通信***********************/ voidudps_respon(intsockfd) { intn; charmsg[1024]; intaddrlen; structsockaddr_inaddr; for(;;) { n=recvfrom(sockfd，msg，1024，0，(struct sockaddr*)&addr，&addrlen); /*

響應(yīng)客戶機(jī)請(qǐng)求

*/ sendto(sockfd，msg，n，0，addr，addrlen); } } /******************************以下為主程序部分*******************************/ intmain(intargc，char*argv[]) { intsockfd; structsockaddr_inaddr; /*

創(chuàng)建一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)類型的套接字

*/ sockfd=socket(AF_INET，SOCK_DGRAM，0); if(sockfd<0) { fprintf(stderr，"Socketerror"); exit(1); } bzero(&addr，sizeof(addr)); addr.sin_family=AF_INET; addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);

/*

服務(wù)器為套接字綁定一個(gè)端口號(hào)

*/ if(bind(sockfd，(structsockaddr*)&addr，sizeof(addr))<0) { fprintf(stderr，"Binderror"); exit(1); } /*

調(diào)用通信函數(shù)與客戶端進(jìn)行通信

*/ udps_respon(sockfd); /*

關(guān)閉套接字

*/ close(sockfd); }

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的UDP服務(wù)器，它不需要在通信前與客戶機(jī)建立固定連接，直接使用UDP套接字來(lái)接收客戶機(jī)發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)報(bào)。但是，在接受客戶機(jī)請(qǐng)求前，服務(wù)器必須設(shè)置自己的公認(rèn)的地址和端口號(hào)。它一次只能處理一個(gè)客戶機(jī)的請(qǐng)求，而不能并發(fā)的處理多個(gè)客戶機(jī)的請(qǐng)求，所以它是一個(gè)典型的循環(huán)服務(wù)器。它不被一個(gè)客戶端所獨(dú)立占有，能夠交替處理多個(gè)客戶機(jī)的請(qǐng)求，當(dāng)一個(gè)客戶機(jī)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)不會(huì)影響服務(wù)器對(duì)來(lái)自其他客戶機(jī)請(qǐng)求的處理。 3.2.2UDP客戶機(jī)編程示例 客戶機(jī)：

#include<sys/type.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<stdio.h> #defineSERVER_PORT8080 /**********************函數(shù)udps_requ負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)通信*************************/ voidudpc_requ(intsockfd，conststructsockaddr_in*addr，intlen) { charbuf[1024]; intn; for(;fgets(buf，1024，stdin)!=NULL;) { /*

向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)

*/ sendto(sockfd，buf，strlen(buf)，0，addr，len); /*

接收服務(wù)器端的回應(yīng)

*/ n=recvfrom(sockfd，buf，1024，0，NULL，NULL); buf[n]='\0'; fputs(buf，stdout); } } /******************************主程序部分*******************************/ intmain(intargc，char*argv[]) { intsockfd; structsockaddr_inaddr; if(argc!=3) { fprintf(stderr，

"usage:clientipaddrport"); exit(1); } /*

創(chuàng)建一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)類型的套接字

*/ sockfd=socket(AF_INET，SOCK_DGRAM，0); if(sockfd<0) { fprintf(stderr，"Socketerror"); exit(1); }

/*

調(diào)用通信函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信

*/ udpc_requ(sockfd，&addr，sizeof(addr)); /*

關(guān)閉套接字

*/ close(sockfd); }

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的UDP客戶端程序。由于采用面向無(wú)連接的通信模式，因此它不需要跟服務(wù)器端建立連接，直接在函數(shù)sendto中指定服務(wù)器端的地址，調(diào)用sendto函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)，可以接收來(lái)自服務(wù)端的應(yīng)答數(shù)據(jù)報(bào)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，服務(wù)端不會(huì)有阻塞的危險(xiǎn)，但是客戶端可能會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)報(bào)在傳輸過(guò)程中的丟失而在調(diào)用函數(shù)recvfrom處阻塞。因?yàn)閁DP協(xié)議不能夠保證數(shù)據(jù)可靠到達(dá)，所以，對(duì)于可能遇到的問(wèn)題或錯(cuò)誤，用戶應(yīng)在程序中加以處理。3.3連接UDP套接字的功能

1．連接UDP套接字的建立

UDP套接字也可以調(diào)用connect函數(shù)，調(diào)用的方法和流式套接字相同，但其調(diào)用的結(jié)果與流式套接字調(diào)用connect函數(shù)的結(jié)果不同。它沒(méi)有三次握手過(guò)程，因?yàn)閁DP協(xié)議中不需要在發(fā)送和接收方之間建立連接。UDP套接字只是記錄了目的方的IP地址和端口號(hào)，這些信息被包含在調(diào)用connect函數(shù)的套接字中，并在調(diào)用后立即返回給進(jìn)程。我們把調(diào)用connect函數(shù)后的UDP套接字稱為連接UDP套接字，把未調(diào)用connet函數(shù)的UDP套接字稱為未連接UDP套接字。 UDP套接字調(diào)用connect函數(shù)后，將檢查每個(gè)到達(dá)的數(shù)據(jù)報(bào)，UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)報(bào)中的目的地址與connect函數(shù)的套接字中保存的IP地址進(jìn)行比較，二者一致時(shí)該套接字接收這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，反之丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。UDP連接套接字具有以下一些特點(diǎn)。

(1)由于連接套接字已經(jīng)記錄了該套接字相應(yīng)的目的地址，因此發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以不用指定服務(wù)器的目的地址。UDP協(xié)議將自動(dòng)根據(jù)保存的地址填充要發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)報(bào)。

(2)對(duì)于連接套接字，UDP協(xié)議在內(nèi)核中檢查連接套接字收到的數(shù)據(jù)報(bào)，并使得連接套接字只接收那些來(lái)自目的地址的UDP數(shù)據(jù)報(bào)。 UDP協(xié)議檢查每個(gè)到達(dá)的數(shù)據(jù)報(bào)，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)的目的端口號(hào)選擇接收套接字，UDP協(xié)議檢查該套接字是否是連接套接字。如果這個(gè)套接字為UDP未連接套接字，則協(xié)議將數(shù)據(jù)報(bào)存放在該套接字接收緩沖區(qū)隊(duì)列中。如果這個(gè)套接字為UDP連接套接字，則協(xié)議將數(shù)據(jù)報(bào)的目的IP地址與套接字保存的IP地址比較，只有在相同時(shí)，才將數(shù)據(jù)報(bào)存放在套接字的接受緩沖區(qū)隊(duì)列中，否則，丟棄。因此，當(dāng)UDP客戶機(jī)只與一個(gè)服務(wù)器通信時(shí)，調(diào)用函數(shù)connect，將這個(gè)UDP套接字轉(zhuǎn)化為UDP連接套接字，保證只接收這個(gè)服務(wù)器的信息。 2．?dāng)?shù)據(jù)報(bào)發(fā)送以及錯(cuò)誤返回情況

UDP協(xié)議在進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)通信時(shí)，可能會(huì)有以下幾種情況發(fā)生：

(1)數(shù)據(jù)報(bào)成功到達(dá)服務(wù)器端，并且被服務(wù)器接收。

(2)數(shù)據(jù)報(bào)成功到達(dá)服務(wù)器端，但是服務(wù)器端的UDP套接字接收緩沖區(qū)已滿，此時(shí)服務(wù)器端將自動(dòng)丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，并且不向客戶機(jī)返回任何錯(cuò)誤信息。 (3)數(shù)據(jù)報(bào)成功到達(dá)服務(wù)器端，但是數(shù)據(jù)報(bào)指定的目的端口上沒(méi)有接收此數(shù)據(jù)報(bào)的進(jìn)程。此時(shí)服務(wù)器端上的UDP協(xié)議將丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，并且向客戶機(jī)返回一個(gè)ICMP錯(cuò)誤報(bào)文，通知客戶機(jī)在目的端口上沒(méi)有接收進(jìn)程。當(dāng)這個(gè)ICMP消息到達(dá)客戶機(jī)UDP協(xié)議之后，UDP協(xié)議將向客戶機(jī)報(bào)告這個(gè)錯(cuò)誤。我們調(diào)用函數(shù)sendto發(fā)送數(shù)據(jù)，該函數(shù)只要將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送至目的系統(tǒng)的緩沖區(qū)就完成調(diào)用返回，而ICMP錯(cuò)誤報(bào)文是在sendto()函數(shù)調(diào)用完成之后返回的，錯(cuò)誤的產(chǎn)生和發(fā)現(xiàn)時(shí)間是不一致的，所以該錯(cuò)誤被稱為異步錯(cuò)誤。對(duì)于UDP套接字，當(dāng)這個(gè)錯(cuò)誤到達(dá)時(shí)，如果客戶機(jī)正在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，則系統(tǒng)將返回一個(gè)ECONNRESET類型的錯(cuò)誤。對(duì)于未連接UDP套接字，Linux系統(tǒng)也返回ECONNRESET。 (4)數(shù)據(jù)報(bào)未成功到達(dá)服務(wù)器。這種情況又分為兩種：①

如果數(shù)據(jù)報(bào)因?yàn)槟康牡刂凡豢傻竭_(dá)而在網(wǎng)絡(luò)中被丟棄，并且這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的傳送經(jīng)過(guò)了路由器，那么傳送路徑上的某個(gè)路由器將向客戶機(jī)UDP協(xié)議返回ICMP錯(cuò)誤消息，通知發(fā)送端目的地址不可到達(dá)。客戶機(jī)UDP協(xié)議接收到這個(gè)ICMP錯(cuò)誤消息之后，如果客戶機(jī)正在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，則這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用將以ENETUNREACH或EHOSTUNREACH類型的錯(cuò)誤返回。②

如果數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，由于字節(jié)發(fā)生錯(cuò)誤而被路由器丟棄，或者由于路由器的緩沖區(qū)滿，該數(shù)據(jù)報(bào)也將被丟棄，而且發(fā)送端也不會(huì)得到任何返回的錯(cuò)誤信息。

在進(jìn)行基于UDP套接字編程時(shí)，我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況去選擇使用連接UDP套接字還是未連接UDP套接字。通?？蛻魴C(jī)進(jìn)程只與一個(gè)服務(wù)器進(jìn)程通信時(shí)，使用連接套接字比較方便，這樣可以避免服務(wù)器端接收來(lái)自其他客戶端的UDP數(shù)據(jù)報(bào)。當(dāng)服務(wù)器進(jìn)程需要同多個(gè)客戶端進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)通信，并且是循環(huán)服務(wù)的方式時(shí)，使用未連接套接字。這是一般采用的原則，最終采用什么方法還應(yīng)根據(jù)具體要求加以變通。 3．連接UDP套接字的取消 連接UDP套接字的取消與TCP套接字的關(guān)閉不同，它不像后者有專門(mén)的close套接字函數(shù)來(lái)關(guān)閉連接，連接UDP套接字只需再次調(diào)用connect函數(shù)，使用一個(gè)非法的套接字地址對(duì)這個(gè)套接字調(diào)用connect函數(shù)，執(zhí)行此調(diào)用，connect函數(shù)套接字將會(huì)丟棄原來(lái)保存的地址。設(shè)置套接字地址的地址簇為AF_UNSPEC，則connect函數(shù)調(diào)用以錯(cuò)誤返回，其錯(cuò)誤類型為EAFNOSUPPORT，表示UDP協(xié)議不支持AF_UNSPEC類型的套接字地址。這樣，這個(gè)UDP連接套接字的地址信息被清除，可以取消連接UDP套接字。

取消連接UDP套接字的操作如下：

structsockaddr_inaddr; intsockfd;

… addr.sin_family=AF_UNSPEC;

… connect(sockfd，(structsockaddr*)&addr，sizeof(addr));

對(duì)一個(gè)連接UDP套接字再次調(diào)用connect函數(shù)，可以完成以下兩個(gè)任務(wù)：

(1)斷開(kāi)已連接套接字。

(2)指定新的IP地址和端口號(hào)，即創(chuàng)建一個(gè)新的連接。3.4UDP編程中的錯(cuò)誤檢測(cè)及處理方法

1．UDP協(xié)議不保證數(shù)據(jù)報(bào)可靠到達(dá) 如果應(yīng)用程序要求實(shí)現(xiàn)傳送的UDP數(shù)據(jù)報(bào)可靠地到達(dá)接收方，我們必須在應(yīng)用程序中檢測(cè)并處理各種可能的錯(cuò)誤。例如，采用數(shù)據(jù)重傳和超時(shí)重發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)：發(fā)送方保存需要發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)，接收方應(yīng)用程序接收到數(shù)據(jù)報(bào)之后，向發(fā)送者返回一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)報(bào)，然后發(fā)送方才將這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)從緩沖區(qū)中釋放出去。因?yàn)榘l(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)和對(duì)方返回的確認(rèn)數(shù)據(jù)報(bào)都有可能丟失，所以，如果發(fā)送者在指定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到接收方的確認(rèn)信息，將重新發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。

調(diào)用alarm()函數(shù)是最常用的超時(shí)控制方法，編程也比較簡(jiǎn)單。因?yàn)樾盘?hào)可以中斷函數(shù)的阻塞，而alarm()函數(shù)可以在設(shè)定的時(shí)限到達(dá)時(shí)發(fā)出SIGALRM信號(hào)，所以我們可以在程序中捕獲SIGALRM信號(hào)，喚醒用戶進(jìn)程作下一步的操作。在Linux內(nèi)核2.4～20，i386體系源程序代碼中，alarm()函數(shù)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)名稱是sys_alarm()，在linux/kernel/timer.c中實(shí)現(xiàn)，函數(shù)定義如下：

asmlinkageunsignedlongsys_alarm(unsignedintseconds)

注意，該函數(shù)的定時(shí)單位是秒，當(dāng)參數(shù)設(shè)為0時(shí)函數(shù)將取消定時(shí)操作。alarm()函數(shù)與進(jìn)程相關(guān)，而與文件描述符或者說(shuō)是與輸入輸出通道無(wú)關(guān)。當(dāng)我們使用多個(gè)輸入輸出通道時(shí)，我們可能無(wú)法區(qū)分究竟在哪個(gè)通道上發(fā)生了阻塞。當(dāng)超時(shí)到達(dá)時(shí)，alarm()函數(shù)將發(fā)出信號(hào)SIGALRM，這個(gè)信號(hào)的默認(rèn)操作是終止進(jìn)程，這就意味著如果我們不捕獲SIGALRM，我們的程序在阻塞一段時(shí)間后便會(huì)自動(dòng)結(jié)束。當(dāng)我們捕獲了SIGALRM信號(hào)并處理后，一般情況下會(huì)給阻塞函數(shù)返回EINTR。 此外，還有一點(diǎn)需要引起注意：alarm()是一次性函數(shù)，而不是周期性函數(shù)。

下面我們給出處理這種錯(cuò)誤時(shí)的部分示例：

#include<signal.h> … voidsig_handler(); intmain() { inttimde_out，n；

structsigactionact; intsockfd; charmsg[100]，buff[100]; structsockaddr_inaddr; /*

創(chuàng)建一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)類型的套接字

*/ sockfd=socket(AF_INET，SOCK_DGRAM，0); if(sockfd<0) { fprintf(stderr，"Socketerror"); exit(1); } bzero(&addr，sizeof(addr)); addr.sin_family=AF_INET; addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); addr.sin_port=htons(SERVER_PORT); /*

套接字綁定一個(gè)端口號(hào)

*/ if(bind(sockfd，(structsockaddr*)&addr，sizeof(addr))<0) { fprintf(stderr，"Binderror"); exit(1); } act.sa_handler=sig_handler; sigemptyset(&act.sa_mask); act.sa_flags=0; sigaction(SIGALRM，&act，NULL); /*

調(diào)用通信函數(shù)與客戶端進(jìn)行通信

*/ strcpy(msg，"message"); sendto(sockfd，msg，sizeof(msg)，0，addr，addrlen); for(;;) { timde_out=0; /*

設(shè)立信號(hào)機(jī)制，發(fā)送后等待20s后，若無(wú)返回，則認(rèn)為發(fā)送超時(shí)，重新發(fā)送

*/ alarm(20); /*

讀應(yīng)答

*/ n=recvfrom(sockfd，buf，size(buf)，0，(structsockaddr*)&addr，&addrlen); if(n<0&&errno==EINTR) { if(timed_out) {printf("Servernotresponding，

retrying...\n"); /*重新發(fā)送數(shù)據(jù)

*/ proc_timeout(); }else continue;…}}/*for*/}/*main*/

voidhandler()/*信號(hào)處理函數(shù)*/{timed_out=1;};

proc_timeout(){/*

重新發(fā)送數(shù)據(jù)

*/};

由上面的程序可見(jiàn)，利用alarm()函數(shù)實(shí)現(xiàn)操作控制的方法比較簡(jiǎn)單：首先設(shè)置信號(hào)SIGALRM的處理函數(shù)，在調(diào)用讀函數(shù)之前，調(diào)用alarm()函數(shù)設(shè)置在超時(shí)到達(dá)時(shí)發(fā)送信號(hào)SIGALRM。如果讀函數(shù)被信號(hào)SIGALRM中斷，則表示超時(shí)到達(dá)。

2．UDP協(xié)議不保證數(shù)據(jù)報(bào)順序到達(dá) 因?yàn)閁DP協(xié)議是面向無(wú)連接的，該協(xié)議不保證數(shù)據(jù)報(bào)能夠順序到達(dá)，這就意味著所有的UDP數(shù)據(jù)報(bào)并不能按照發(fā)送的先后順序到達(dá)接收方被處理。如果應(yīng)用程序要求數(shù)據(jù)報(bào)必須是按照順序到達(dá)并處理的，我們就要在設(shè)計(jì)UDP報(bào)文時(shí)對(duì)每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行順序編號(hào)。接收方在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)之后，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)中的數(shù)據(jù)序號(hào)將其放入緩沖區(qū)的合適的位置，符合時(shí)才處理這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，否則等待接收順序靠前的數(shù)據(jù)報(bào)。

3．UDP協(xié)議沒(méi)有流量控制

UDP協(xié)議本身不提供流量控制功能，雖然UDP協(xié)議為每個(gè)套接字建立了一個(gè)接收緩沖區(qū)隊(duì)列，接收到的數(shù)據(jù)報(bào)被拷貝到該隊(duì)列中，但是如果在通信過(guò)程中數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送速度大于接收速度，當(dāng)套接字接收緩沖區(qū)滿后，UDP協(xié)議將丟棄之后到達(dá)的數(shù)據(jù)報(bào)，從而造成大量的數(shù)據(jù)報(bào)丟失。針對(duì)這種情況，我們可以在確保UDP數(shù)據(jù)報(bào)可靠到達(dá)的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下的流量控制： 發(fā)送方應(yīng)用程序創(chuàng)建一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)隊(duì)列，每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，首先將它拷貝到該隊(duì)列中，然后再發(fā)送給接收方。每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在接收到接收方返回的確認(rèn)信息前將一直保存在這個(gè)緩沖區(qū)隊(duì)列中。如果發(fā)送緩沖區(qū)隊(duì)列已滿，則暫停發(fā)送新的數(shù)據(jù)報(bào)，直到緩沖區(qū)隊(duì)列再次出現(xiàn)空間為止。通過(guò)這種方法可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的流量控制。3.5UDP套接字在OICQ服務(wù)中的應(yīng)用 UDP協(xié)議經(jīng)常使用于語(yǔ)音、圖像、文字等格式的數(shù)據(jù)傳輸中，很多即時(shí)通信程序都使用UDP套接字編程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，例如，目前使用的最廣泛的聊天程序OICQ。本節(jié)我們將給出兩個(gè)代碼片段，來(lái)分別說(shuō)明OICQ服務(wù)器端和客戶機(jī)程序的基本實(shí)現(xiàn)原理。

先來(lái)看實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的客戶端程序：

#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<ermo.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<netinet/in.h> #include<sys/socket.h> #defineSERVER_PORT8003 #defineMSG_BUF_SIZE512 intport=SERVER_PORT; voidmain() { intsockfd; intcount=0; intflag; charbuf[MSG_BUF_SIZE]; structsockaddr_inaddress;

/*

創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)類型的套接字

*/ if((sockfd=socket(AF_INET，SOCK_DGRAM，0))==-1) { fprintf(stderr，"socketerror"); exit(1); } memset(&address，0，sizeof(address)); address.sin_family=AF_INET; address.sin_addr.s_addr=inet_addr(""); address.sin_port=htons(port); flag=1; /*

發(fā)送數(shù)據(jù)

*/do{sprintf(buf，"packet%d\n"，count);if(count>30){sprintf(buf，"over");flag=0;}

sendto(sockfd，buf，sizeof(buf)，0，(structsockaddr*)&address，sizeof(address));count++;}while(flag); }

服務(wù)器端程序：

#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<ermo.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<netinet/in.h> #include<sys/socket.h> #defineSERVER_PORT8003 #defineMSG_BUF_SIZE512

intport=SERVER_PORT; /*ip地址表示本機(jī)

*/ char*hostname=""; voidmain() {

intsinlen;intport=SERVER_PORT;charmessage[MSG_BUF_SIZE];intsockfd;structsockaddr_insin;structhostent*server_host_name;if((sockfd=socket(PF_INET，SOCK_DGRAM，0))==-1){fprintf(stderr，"socketerror");exit(1);} server_host_name=gethostbyname(hostname);bzero(&sin，sizeof(sin));sin.sin_family=AF_INET;sin.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);sin.sin_port=htons(port); if((bind(sockfd，(structsockaddr*)&sin，sizeof(sin)))==-1){fprintf(stderr，"binderror");exit(1);}

/*

接收數(shù)據(jù)

*/ while(1) { sinlen=sizeof(sin);recvfrom(sockfd，message，256，0，(structsockaddr*)&sin，&sinlen);printf("nDatacomefromserver:%s\n"，message);if(strncmp(message，"over"，4)==0)break;}close(sockfd);}

上面兩個(gè)程序經(jīng)編譯調(diào)試通過(guò)后，在一臺(tái)主機(jī)分別運(yùn)行接收程序和發(fā)送程序，就可以看到通過(guò)UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)通信過(guò)程了。當(dāng)然，也可以在兩臺(tái)機(jī)器上啟動(dòng)兩個(gè)不同的進(jìn)程來(lái)運(yùn)行，只要修改上述程序中的IP地址，就可以實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)和服務(wù)器的通信模擬。3.6原始套接字 3.6.1

原始套接字定義 使用流式套接字或數(shù)據(jù)報(bào)套接字，應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)基于TCP協(xié)議或UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互。這種交互屬于比較高層次的網(wǎng)絡(luò)通信方式，它向程序員屏蔽了TCP、UDP和IP數(shù)據(jù)包的具體格式，簡(jiǎn)化了編程工作；但同時(shí)也限制了應(yīng)用程序?qū)νㄐ艆f(xié)議的支持范圍，降低了用戶對(duì)數(shù)據(jù)的操作能力，影響了編程的靈活性。原始套接字則支持我們直接對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行操作，可以允許用戶訪問(wèn)ICMP和IGMP等多種協(xié)議的數(shù)據(jù)包，允許用戶訪問(wèn)內(nèi)核不處理的IP數(shù)據(jù)包，允許用戶讀寫(xiě)包括首部在內(nèi)的IP數(shù)據(jù)包，允許用戶基于IP層開(kāi)發(fā)新的高層通信協(xié)議。

原始套接字的使用分為三個(gè)步驟：原始套接字的創(chuàng)建、屬性的設(shè)置以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

1．原始套接字的創(chuàng)建 將函數(shù)socket(intdomain，inttype，intprotocol)中的參數(shù)type設(shè)為SOCK_RAW，并將參數(shù)protocol設(shè)為某種指定類型(如IPPROTO_ICMP、IPPROTO_IGMP、IPPROTO_IP等)，我們就可以創(chuàng)建一個(gè)原始套接字。

#include<linux/in.h> ... intsockfd sockfd=socket(AF_INET，SOCK_RAW，IPPROTO_ICMP); ....

標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議類型通常由系統(tǒng)頭文件<linux/in.h>定義，在Linux2.4.20內(nèi)核中，它們位于第23～47行。protocol等于IPPROTO_ICMP，表示這是一個(gè)使用ICMP協(xié)議工作的原始套接字；protocol等于IPPROTO_IGMP，表示這是一個(gè)使用IGMP協(xié)議工作的原始套接字；protocol等于IPPROTO_IP，表示這個(gè)原始套接字可以接收內(nèi)核送達(dá)的任何類型的IP數(shù)據(jù)包。 原始套接字直接發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)包，是一種面向無(wú)連接的套接字，而且它只能由超級(jí)用戶或系統(tǒng)管理員來(lái)創(chuàng)建。

無(wú)論是否設(shè)置了IP_HDRINCL屬性，原始套接字接收的都是整個(gè)IP數(shù)據(jù)包，即我們的接收緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包含IP數(shù)據(jù)包的首部。

3．?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送和接收 端口是TCP、UDP等傳輸層協(xié)議中的概念，在原始套接字中不存在端口。原始套接字通過(guò)IP地址來(lái)識(shí)別主機(jī)?？梢允褂胹endto()、sendmsg()、recvfrom()和recvmsg()函數(shù)，來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)包；也可以先調(diào)用connect()、bind()函數(shù)綁定對(duì)方或本地地址，然后再使用write()、writev()、send()、read()、readv()和recv()等函數(shù)來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)。 2．原始套接字屬性的設(shè)置

IP數(shù)據(jù)包由首部和數(shù)據(jù)實(shí)體組成，如果沒(méi)有對(duì)原始套接字設(shè)置IP_HDRINCL屬性，則在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)緩存區(qū)中存放的是IP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)實(shí)體部分；如果設(shè)置了IP_HDRINCL屬性，則數(shù)據(jù)發(fā)送緩存區(qū)中存放的是整個(gè)IP數(shù)據(jù)包，包括IP數(shù)據(jù)包的首部。IP_HDRINCL是通過(guò)調(diào)用函數(shù)setsockopt()來(lái)進(jìn)行設(shè)置的：

intoptval=1; if(setsockopt(sockfd，

IPPROTO_IP，

IP_HDRINCL，

&optval，

sizeof(optval))<0) exit(1); … 3.6.2ICMP協(xié)議中原始套接字的應(yīng)用 在第1章中，我們已經(jīng)知道ICMP(Internet消息控制協(xié)議)是TCP/IP協(xié)議簇的一個(gè)組成部分，主要作用是通過(guò)傳遞網(wǎng)絡(luò)故障、網(wǎng)絡(luò)擁塞、路由錯(cuò)誤、中間主機(jī)崩潰及重啟等信息，來(lái)協(xié)調(diào)路由器、源主機(jī)和中間主機(jī)之間的工作。 使用ICMP協(xié)議通信時(shí)，一般不設(shè)置IP_HDRINCL選項(xiàng)，在數(shù)據(jù)發(fā)送緩存區(qū)僅僅填寫(xiě)ICMP數(shù)據(jù)包，不需要考慮IP首部；但在接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收緩存區(qū)內(nèi)存放的是IP首部加ICMP數(shù)據(jù)包，所以首先必須找到ICMP數(shù)據(jù)包的起始位置，然后才能取出ICMP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。通常我們采用結(jié)構(gòu)來(lái)讀寫(xiě)ICMP消息的固定長(zhǎng)度部分，包括描述IP數(shù)據(jù)包首部的結(jié)構(gòu)和描述ICMP數(shù)據(jù)包首部的結(jié)構(gòu)。我們可以自行定義這些結(jié)構(gòu)，也可以采用系統(tǒng)頭文件中的結(jié)構(gòu)定義：iphdr和icmphdr。 iphdr描述了IP數(shù)據(jù)包的首部，在Linux2.4.20內(nèi)核中，它們位于<linux/in.h>文件的第116～136行，其代碼及注釋如下：

structiphdr{ #ifdefined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)__u8ihl:4，

/*

首部長(zhǎng)度，以4字節(jié)為單 位進(jìn)行計(jì)量

*/version:4; /*

版本

*/ #elifdefined(__BIG_ENDIAN_BITFIELD)__u8version:4，

ihl:4; #else #error"Pleasefix<asm/byteorder.h>" #endif__u8tos; /*

服務(wù)類型

*/__u16tot_len; /*

數(shù)據(jù)包總長(zhǎng)

*/__u16id; /*

標(biāo)識(shí)

*/__u16frag_off; /*

標(biāo)識(shí)位和碎片偏移

*/__u8ttl; /*

生存時(shí)間(timetolive)*/ __u8protocol;/*

協(xié)議：TCP、UDP、ICMP等

*/__u16check; /*

首部校驗(yàn)和

*/__u32saddr; /*

源IP地址

*/__u32daddr; /*

目的IP地址

*/ }; icmphdr描述了ICMP數(shù)據(jù)包的首部，在Linux2.4.20內(nèi)核中，它們位于<linux/icmp.h>文件的第66～81行，其代碼如下： structicmphdr{ __u8type; __u8code;__u16checksum;union{struct{__u16id;__u16sequence;}echo; __u32gateway;struct{__u16__unused;__u16mtu;}frag;}un; };

下面我們以一段Ping程序代碼片斷為例，來(lái)說(shuō)明 如何使用原始套接字實(shí)現(xiàn)ICMP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互。在 這個(gè)例子中，源主機(jī)向目的主機(jī)發(fā)出回顯請(qǐng)求(ICMP_ECHO，type=0，code=0)，目的主機(jī)返回回顯響應(yīng)(ICMP_ECHOREPLY，type=8，code=0)，相關(guān)的數(shù)據(jù)包格式如圖3-3所示。其中，標(biāo)識(shí)符是源主機(jī)的進(jìn)程號(hào)，序列碼用來(lái)標(biāo)識(shí)發(fā)出回顯請(qǐng)求的次序，時(shí)間戳表示數(shù)據(jù)包發(fā)出的時(shí)刻，通過(guò)比較回顯響應(yīng)時(shí)刻和源主機(jī)當(dāng)前時(shí)刻的差值，可以測(cè)出ICMP數(shù)據(jù)包的往返時(shí)間。在這個(gè)例子中，用戶進(jìn)程一共向目的主機(jī)發(fā)送三次回顯請(qǐng)求。圖3-3ICMP回顯請(qǐng)求和響應(yīng)的?數(shù)據(jù)包格式#include<linux/in.h>...intnTimeout=0; /*

超時(shí)標(biāo)志

*/voidrecv_process(char*buf);/*

處理接收到的數(shù)據(jù)

*/shortCheckSum(short*buf，intnSize)/*

計(jì)算校驗(yàn)和

*/{ unsignedlongchksum=0; short*buf2=buf; chksum=*buf2;buf2++;buf2++; for(inti=2;i<nSize-1;i++) {chksum+=*buf;buf++;}chksum=(chksum>>16)+(chksum&0xffff); chksum+=(chksum>>16); short*ps=(short*)&chksum; return~(*ps);}voidFillIcmpHdr(char*pIcmpHdr，intnDataSize) /*

填充ICMP數(shù)據(jù)包

*/{ icmphdr*pIcmph; staticintnSeq=0; pIcmph=(icmphdr*)pIcmpHdr; pIcmph->type=ICMP_ECHO; pIcmph->code=0; pIcmph->un.echo.id=htons(getpid()); pIcmph->un.echo.sequence=htons(nSeq);nSeq++; pIcmph->checksum=htons(CheckSum((short*)pIcmpPack，nDataSize));}voidsigalrm_handler(intsig){nTimeout=1;}

intmain(intargc，char*argv[]) /*

主程序入口

*/{unsignedlongbuf[64];intsockfd;structsockaddr_inaddr1;structsigactionact;timevaltv;act.sa_handler=sigalrm_handler; /*

設(shè)置超時(shí)信號(hào)捕獲函數(shù)

*/act.sa_mask=0;act.sa_flags=0;sigaction(SIGALRM，&act，NULL);sockfd=socket(AF_INET，SOCK_RAW，IPPROTO_ICMP); /*

創(chuàng)建原始套接字

*/if(sockfd<0) exit(1);bzero(&addr1，sizeof(addr1));if(inet_aton(argv[1]，&addr1.sin_addr)==0) /*

綁定對(duì)方主機(jī)IP地址

*/exit(2);intn=0，nlen;while(n<3){ alarm(5); /*

設(shè)置超時(shí)值為5s*/ gettimeofday(&tv，NULL); /*

獲得當(dāng)前時(shí)間戳

*/

*(buf+2)=htonl(tv.sec);

*(buf+3)=htonl(tv.usec); FillIcmpHdr((char*)buf，8); /*

填寫(xiě)數(shù)據(jù)包，按雙字節(jié)計(jì)算數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

*/ nlen=sizeof(addr1); sendto(sockfd，buf，128，0，(structsockaddr*)&addr1，sizeof(addr1)); n=recvfrom(sockfd，buf，128，0，(structsockaddr*)&addr1，&nlen); if(n>0) recv_process(buf); /*

處理接收到的數(shù)據(jù)

*/ alarm(0); nTimeout=0;n++;}close(sockfd);}

函數(shù)recv_process()用來(lái)處理對(duì)方主機(jī)返回的回顯響應(yīng)數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi)含有IP數(shù)據(jù)首部，必須將其過(guò)濾掉。recv_process()的主要代碼如下：

voidrecv_process(char*buf) /*

填充ICMP數(shù)據(jù)包

*/ { iphdr*pIph; icmphdr*pIcmph; intiplen，icmplen; pIph=(iphdr*)buf; /*

確定IP數(shù)據(jù)包起始位置

*/ iplen=ip->ihl<<2; pIcmph=(icmphdr*)(buf+iplen); /*

確定ICMP數(shù)據(jù)包起始位置

*/ /*

確定收到的數(shù)據(jù)包是否是針對(duì)當(dāng)前進(jìn)程的回顯響應(yīng)

*/if(pIcmph->type!=ICMP_ECHOREPLY||pIcmph->un.echo.id!=htons(getpid())) exit(3); pl=(unsignedlong*)pIcmph; ptv1=(timeval*)(pl+2); gettimeofday(tv2，NULL); tv2=GetInterval(*ptv1，tv2); /*

編制函數(shù)，計(jì)算時(shí)間差值

*/ ... /*

顯示接收結(jié)果

*/} IGMP(Internet組管理協(xié)議)是另一種最常使用原始套接字進(jìn)行操作的協(xié)議，這個(gè)協(xié)議用來(lái)協(xié)調(diào)多播路由器與主機(jī)之間的工作：多播路由器使用IGMP協(xié)議來(lái)查詢多播組內(nèi)有哪些主機(jī)；主機(jī)則在加入和退出多播組時(shí)使用IGMP協(xié)議向路由器發(fā)出通告，或者使用IGMP協(xié)議響應(yīng)多播路由器的查詢。 與ICMP協(xié)議類似，IGMP數(shù)據(jù)包也是嵌入在IP數(shù)據(jù)包內(nèi)進(jìn)行傳輸?shù)?，我們可以通過(guò)調(diào)用sockfd=socket(AF_INET，SOCK_RAW，IPPROTO_IGMP)創(chuàng)建一個(gè)支持協(xié)議的原始套接字。IGMP協(xié)議中原始套接字的使用方法與ICMP協(xié)議中原始套接字使用方法基本一致，只是協(xié)議的具體格式有所差別，其編程方法可參閱前面有關(guān)套接字編程的例子。 3.6.3IP_HDRINCL選項(xiàng) 當(dāng)對(duì)原始套接字設(shè)置了IP_HDRINCL屬性后，我們就可以對(duì)IP數(shù)據(jù)包的首部進(jìn)行操作，可以對(duì)封裝在IP數(shù)據(jù)包內(nèi)的任何協(xié)議(如TCP、UDP等)進(jìn)行操作，也可以定制自己的協(xié)議首部。在創(chuàng)建原始套接字時(shí)，應(yīng)將協(xié)議類型設(shè)為IPPROTO_IP(值為0)：

intsockfd sockfd=socket(AF_INET，SOCK_RAW，

IPPROTO_IP);

下面是一個(gè)構(gòu)造TCP數(shù)據(jù)包的函數(shù)，其中用到的tcphdr結(jié)構(gòu)由linux2.4.20內(nèi)核頭文件<linux/tcp.h>的第23～56行定義。

intsend_syn(char*buf，intnSize，unsignedshortport，structsockaddraddr) { iphdr*pIph; tcphdr*pTcph; bzero(buf，nSize); pIph=(iphdr*)buf; pTcph=(tcphdr*)(buf+sizeof(iphdr)); pTcph->source=htons(9090); /*

填寫(xiě)TCP數(shù)據(jù)首部

*/ pTcph->dest=port; pTcph->seq=random(); pTcph->doff=5; pTcph->syn=1; pIph->version=4; /*

填寫(xiě)IP數(shù)據(jù)首部

*/ pIph->ihl=sizeof(iphdr)>>2; pIph->tot_len=sizeof(iphdr)+sizeof(tcphdr); pIph->ttl=128; pIph->protocol=IPPROTO_TCP; pIph->saddr=random(); pIph->daddr=addr->sin_addr; pTcph->check=ChkSum(buf); /*

計(jì)算整個(gè)數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)和

*/ return*(pIph->tot_len); /*

返回需要發(fā)送的數(shù)據(jù)總長(zhǎng)

*/ }

主程序可以不斷地調(diào)用這個(gè)函數(shù)，然后向服務(wù)器發(fā)送。這將引發(fā)用戶進(jìn)程與服務(wù)器的三次握手過(guò)程(syn=1)。由于用戶進(jìn)程送出的源地址是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，幾乎全都是不可達(dá)地址，因此三次握手將無(wú)法完成。服務(wù)器由于偵聽(tīng)套接字的連接隊(duì)列滿而被阻塞，從而引起服務(wù)失效。3.7服務(wù)器編程模型

3.7.1循環(huán)服務(wù)器

1．UDP循環(huán)服務(wù)器 基于UDP的編程常采用循環(huán)服務(wù)器的編程模式，循環(huán)服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單：UDP服務(wù)器每次從套接字上讀取一個(gè)客戶端的請(qǐng)求并處理請(qǐng)求，然后將結(jié)果返回給客戶機(jī)。循環(huán)服務(wù)器的處理過(guò)程如圖3-4所示。圖3-4循環(huán)服務(wù)器處理過(guò)程

循環(huán)服務(wù)器的程序處理方法為：intsockfd;structsockaddr_inaddr，clientaddr;intn，

addrlen;charbuf[512];if((sockfd=socket(AF_INETSOCK_DGRAM0))<0){printf("socketerror.\n");exit(1);}bzero(&addr，sizeof(servaddr));addr.sin_family=AF_INET;addr.sin_port=htons(serverport); /*

端口號(hào)

*/addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);

if(bind(sockfd，…)<0){printf("binderror.\n");exit(1);}for(;;){addrlen=sizeof(clientaddr);n=recvfrom(sockfdbufsizeof(buf)0(structsockaddr*)&clientaddr&addrlen);if(n<0&&errno==EINTR)continue;

elseif(n<0){printf("recvfromerror:%s\n"strerror(errno));continue;}doit(sockfd); */處理請(qǐng)求

*/sendto(sockfdbufsizeof(buf)0(structsockaddr*)&clientaddraddrlen);}

由于基于UDP的通信是面向無(wú)連接的，因此沒(méi)有一個(gè)客戶機(jī)可以獨(dú)占服務(wù)器，只要處理過(guò)程不是死循環(huán)，服務(wù)器對(duì)于每一個(gè)客戶機(jī)的請(qǐng)求總是能夠滿足的。 圖3-5為一個(gè)小型控制系統(tǒng)示例，所用計(jì)算機(jī)都工作在端口PORT1上，計(jì)算機(jī)1負(fù)責(zé)從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理(濾波、去偽等)后原始發(fā)送給計(jì)算機(jī)2(服務(wù)器)，計(jì)算機(jī)2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(濾波、修正、轉(zhuǎn)換等)，然后將結(jié)果以廣播形式發(fā)送出去。收到結(jié)果數(shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)1和計(jì)算機(jī)2不作處理，計(jì)算機(jī)3判斷是否需要報(bào)警，計(jì)算機(jī)4將結(jié)果送去顯示，計(jì)算機(jī)5將數(shù)據(jù)存檔。如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源則由應(yīng)用層的數(shù)據(jù)協(xié)議來(lái)保證，例如，每個(gè)數(shù)據(jù)包中都標(biāo)明數(shù)據(jù)包類型是原始數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)，還是其他數(shù)據(jù)。圖3-5一個(gè)小型控制系統(tǒng)示例

計(jì)算機(jī)2的程序代碼如下：#include<...>#definePORT18989#defineCOMPUTERX"55"...

intmain(){charbuf[256];intsockfd;structsockaddr_inaddr_2;/*

計(jì)算機(jī)2的地址結(jié)構(gòu)

*/structsockaddr_inaddr_x;/*

廣播地址結(jié)構(gòu)

*/sockfd=socket(AF_INET，SOCK_DGRAM，0);if(sockfd<0){ fprintf(stderr，"Socketerror"); exit(1);} bzero(&addr_2，sizeof(addr_2));addr_2.sin_family=AF_INET;addr_2.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);addr_2.sin_port=htons(PORT1); if(bind(sockfd，(structsockaddr*)&addr_2，sizeof(addr_2))<0){ fprintf(stderr，"Inet_atonerror"); exit(1);} bzero(&servaddr，sizeof(addr_x));addr_x.sin_family=AF_INET;addr_x.sin_port=htons(PORT1);if(inet_aton(COMPUTERX，&addr_x.sin_addr)==0) exit(1); intnDataComeFrom=0; /*

用來(lái)存放數(shù)據(jù)包類型代碼

*/ intn=recvfrom(sockfd，buf，256，0，(structsockaddr*)&addr_1，sizeof(addr_1)); ... /*

解析接收到的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包類型代碼放入nDataComeFrom*/

if(nDataComeFrom==1){process(buf，&nlen...); /*

數(shù)據(jù)處理，結(jié)果放在buf中，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度放在nlen中

*//*

以廣播形式將處理結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送出去

*/sendto(sockfd，buf，nlen，0，(structsockaddr*)&addr_x，sizeof(addr_x));}close(sockfd);} 2．TCP循環(huán)服務(wù)器 現(xiàn)在我們考慮基于TCP的服務(wù)器采用循環(huán)服務(wù)器工作模式的實(shí)現(xiàn)方法。TCP服務(wù)器接受一個(gè)客戶端的連接，然后進(jìn)行處理，直到完成這個(gè)客戶機(jī)的所有請(qǐng)求后，斷開(kāi)連接。TCP循環(huán)服務(wù)器一次只能處理一個(gè)客戶端的請(qǐng)求，只有在這個(gè)客戶的所有請(qǐng)求都滿足后，服務(wù)器才可以繼續(xù)后面的請(qǐng)求。這樣，如果有一個(gè)客戶端占住服務(wù)器不放時(shí)，其他的客戶機(jī)都不能工作了，因此，TCP服務(wù)器一般很少用循環(huán)服務(wù)器模型。只有當(dāng)數(shù)據(jù)處理工作所需時(shí)間很短(如時(shí)鐘服務(wù))或者服務(wù)器只能為單一用戶提供服務(wù)時(shí)才被使用，而且這時(shí)應(yīng)該設(shè)置超時(shí)控制。

圖3-6是一個(gè)使用TCP循環(huán)服務(wù)的例子，這是一個(gè)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制的可移動(dòng)機(jī)械手，服務(wù)器程序運(yùn)行在機(jī)械手的移動(dòng)平臺(tái)上，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控機(jī)械手完成搬運(yùn)物體的工作，這個(gè)機(jī)械手不允許多人同時(shí)操作。若采用UDP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)，由于UDP協(xié)議的不可靠性，很可能出現(xiàn)后發(fā)出的指令被首先執(zhí)行，先發(fā)出的指令被延后執(zhí)行的狀況，用戶將感到機(jī)械手不可控制。當(dāng)然，我們也可以在應(yīng)用層的協(xié)議里加上時(shí)序控制，但那樣將加大編程的難度。而采用TCP的循環(huán)模式，并對(duì)阻塞函數(shù)添加超時(shí)控制，情況將會(huì)比較理想。有關(guān)TCP循環(huán)服務(wù)的程序代碼，可參見(jiàn)前面套接字的內(nèi)容，這里不再贅述。圖3-6一個(gè)使用TCP循環(huán)服務(wù)的例子

3.7.2并發(fā)服務(wù)器 針對(duì)上述TCP循環(huán)服務(wù)器的缺陷，人們提出了并發(fā)服務(wù)器的編程模型。并發(fā)服務(wù)器的思想是：每一個(gè)客戶機(jī)的請(qǐng)求并不由服務(wù)器偵聽(tīng)進(jìn)程直接處理，而是由服務(wù)器偵聽(tīng)進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)自己的子進(jìn)程負(fù)責(zé)處理服務(wù)請(qǐng)求，父進(jìn)程仍負(fù)責(zé)偵聽(tīng)客戶機(jī)的請(qǐng)求。并發(fā)服務(wù)器的處理流程如圖3-7所示。圖3-7并發(fā)服務(wù)器的處理流程

1．TCP并發(fā)服務(wù)器 基本的TCP并發(fā)服務(wù)器采用這樣的流程：先創(chuàng)建一個(gè)偵聽(tīng)套接字，等待客戶機(jī)的請(qǐng)求，每當(dāng)接受一個(gè)客戶機(jī)請(qǐng)求時(shí)，就創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，并在子進(jìn)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，父進(jìn)程則繼續(xù)等待新的客戶機(jī)請(qǐng)求，直到服務(wù)程序滿足退出條件。TCP并發(fā)服務(wù)器的程序處理方法為：

intsockfd，newsockfd; structsockaddr_inaddr;if((sockfd=socket(AF_INET，SOCK_STREAM，0))<0){printf("socketerror.\n");exit(1);}bzero(&addr，sizeof(servaddr));addr.sin_family=AF_INET;addr.sin_port=htons(serverport);/*

端口號(hào)

*/addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);if(bind(sockfd，…)<0){printf("binderror.\n");exit(1);}if((listen(sockfd，5)<0){printf("listenerror.\n");exit(1);}for(;;){newsockfd=accept(sockfd，…，…);if(newsockfd<0&&errno==EINTR)continue;elseif(newsockfd<0){printf("accepterror.\n");exit(1);}if(fork()==0){close(sockfd);doit(newsockfd); /*

處理請(qǐng)求

*/…exit(0);}close(newsockfd);} 2．UDP并發(fā)服務(wù)器

UDP協(xié)議雖然在套接字函數(shù)處不大容易阻塞，但如果對(duì)某一個(gè)客戶機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則服務(wù)器在這段時(shí)間內(nèi)將不能接收其他客戶機(jī)的請(qǐng)求，同時(shí)UDP協(xié)議又是不可靠的通信協(xié)議，不保證數(shù)據(jù)是否能夠到達(dá)目的地址，所以就會(huì)造成數(shù)據(jù)包的丟失。這時(shí)可以采用并發(fā)的UDP服務(wù)結(jié)構(gòu)：服務(wù)程序每收到一項(xiàng)請(qǐng)求，就單獨(dú)為這個(gè)客戶機(jī)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，然后關(guān)閉套接字描述符。UDP并發(fā)服務(wù)器處理方法如下： #include<...> #definePORT18989 voidsigchld_handler(intsig) { while(waitpid(-1，NULL，WNOHANG)>0){} return; }intmain(){charbuf[256];intsockfd;structsockaddr_inaddr; intpid;structsigactionsigact; sigact.sa_handler=sigchld_handler; sigact.sa_mask=0; sigact.sa_flags=0; sigsigaction(SIGCHLD，&sigact，NULL); sockfd=socket(AF_INET，SOCK_DGRAM，0); if(sockfd<0) { fprintf(stderr，"Socketerror"); exit(1); } bzero(&addr，sizeof(addr));addr.sin_family=AF_INET;addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);addr.sin_port=htons(PORT1);if(bind(sockfd，(structsockaddr*)&addr，sizeof(addr))<0){ fprintf(stderr，"Inet_atonerror"); exit(1);}

while(1){intn=recvfrom(sockfd，buf，256，0，(structsockaddr*)&addr_1，sizeof(addr_1));if(n>0){if((pid=fork())==0) /*

子進(jìn)程，處理數(shù)據(jù)并返回結(jié)果

*/{sendto(sockfd，buf，256，0，(structsockaddr*)&addr，sizeof(addr));close(sockfd);exit(0);}elseif(pid<0){fprintf(stderr，"forkerror");exit(1);}/*

父進(jìn)程，繼續(xù)循環(huán)等待客戶請(qǐng)求

*/}}

創(chuàng)建子進(jìn)程是一項(xiàng)開(kāi)銷很大的工作，如果客戶非常多，而大多數(shù)的數(shù)據(jù)處理的時(shí)間又很短，那么服務(wù)器的大量時(shí)間和資源都消耗在創(chuàng)建和銷毀子進(jìn)程上，系統(tǒng)效率會(huì)很低，也難以及時(shí)響應(yīng)客戶的請(qǐng)求。我們可以將循環(huán)服務(wù)和并發(fā)服務(wù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)鼐C合，采用延遲創(chuàng)建子進(jìn)程的方法，即平時(shí)服務(wù)器工作在循環(huán)狀態(tài)，當(dāng)預(yù)測(cè)某一次服務(wù)耗時(shí)較長(zhǎng)就為它創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，而主進(jìn)程繼續(xù)工作在循環(huán)模式中。

在網(wǎng)絡(luò)上，常常會(huì)有這樣的情況：很多非法用戶或沒(méi)有操作權(quán)限的用戶與服務(wù)器建立了連接，并試圖進(jìn)行操作，這時(shí)服務(wù)器應(yīng)該先檢查收到的數(shù)據(jù)包是否為合法請(qǐng)求(這種檢查通常耗費(fèi)時(shí)間極短)。如果是非法請(qǐng)求，服務(wù)器就拒絕服務(wù)，則繼續(xù)在循環(huán)方式下工作；如果是合法請(qǐng)求，則服務(wù)器創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主進(jìn)程依然在循環(huán)方式下工作。

我們還可以設(shè)置一個(gè)預(yù)測(cè)器，估計(jì)一項(xiàng)服務(wù)是否可以在很短時(shí)間內(nèi)完成。因?yàn)閷?shí)際上服務(wù)器的服務(wù)范圍是有限的，可以根據(jù)理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)(即服務(wù)器在歷史上處理各類數(shù)據(jù)所消耗的時(shí)間)來(lái)進(jìn)行推理，考慮是否創(chuàng)建子進(jìn)程，如運(yùn)算服務(wù)，如果發(fā)現(xiàn)是解二元一次方程、求幾個(gè)數(shù)的平均值等，則所需的服務(wù)時(shí)間極短，在循環(huán)服務(wù)中即可迅速完成；如果發(fā)現(xiàn)是求大型方陣的特征值、較大圖像的卷積運(yùn)算等，就創(chuàng)建子進(jìn)程；如果是一種以前未處理過(guò)的運(yùn)算類型，那么我