Linux是一个可靠性非常高的操作系统，但是所有用过Linux的朋友都会感觉到， Linux和Windows这样的"傻瓜"操作系统（这里丝毫没有贬低Windows的意思，相反这应该是Windows的优点）相比，后者无疑在易操作 性上更胜一筹。但是为什么又有那么多的爱好者钟情于Linux呢，当然自由是最吸引人的一点，另外Linux强大的功能也是一个非常重要的原因，尤其是 Linux强大的网络功能更是引人注目。放眼今天的WAP业务、银行网络业务和曾经红透半边天的电子商务，都越来越倚重基于Linux的解决方案。因此 Linux网络编程是非常重要的，而且当我们一接触到Linux网络编程，我们就会发现这是一件非常有意思的事情，因为以前一些关于网络通信概念似是而非 的地方，在这一段段代码面前马上就豁然开朗了。在刚开始学习编程的时候总是让人感觉有点理不清头绪，不过只要多读几段代码，很快我们就能体会到其中的乐趣 了。下面我就从一段Proxy源代码开始，谈谈如何进行Linux网络编程。
首先声明，这段源代码不是我编写的，让我们感谢这位名叫Carl Harris的大虾，是他编写了这段代码并将其散播到网上供大家学习讨论。这段代码虽然只是描述了最简单的proxy操作，但它的确是经典，它不仅清晰地 描述了客户机/服务器系统的概念，而且几乎包括了Linux网络编程的方方面面，非常适合Linux网络编程的初学者学习。
这段Proxy程序的用法是这样的，我们可以使用这个proxy登录其它主机的服务端口。假如编译后生成了名为Proxy的可执行文件，那么命令及其参数的描述为：
./Proxy <proxy_port> <remote_host> <service_port>
其中参数proxy_port是指由我们指定的代理服务器端口。参数remote_host是指我们希望连接的远程主机的主机名，IP地址也同样有 效。这个主机名在网络上应该是唯一的，如果您不确定的话，可以在远程主机上使用uname -n命令查看一下。参数service_port是远程主机可提供的服务名，也可直接键入服务对应的端口号。这个命令的相应操作是将代理服务器的 proxy_port端口绑定到remote_host的service_port端口。然后我们就可以通过代理服务器的proxy_port端口访问 remote_host了。例如一台计算机，网络主机名是legends，IP地址为10.10.8.221，如果在我的计算机上执行：
[root@lee /root]#./proxy 8000 legends telnet
那么我们就可以通过下面这条命令访问legends的telnet端口。
-----------------------------------------------------------------
[root@lee /root]#telnet legends 8000
Trying 10.10.8.221...
Connected to legends(10.10.8.221).
Escape character is '^]'
Red Hat Linux release 6.2(Zoot)
Kernel 2.2.14-5.0 on an i686
Login:
-----------------------------------------------------------------
上面的绑定操作也可以使用下面的命令：
[root@lee /root]#./proxy 8000 10.10.8.221 23
23是telnet服务的标准端口号，其它服务的对应端口号我们可以在/etc/services中查看。
下面我就从这段代码出发谈谈我对Linux网络编程的一些粗浅的认识，不对的地方还请各位大虾多多批评指正。
◆main()函数
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#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <netdb.h>
#define TCP_PROTO "tcp"
int proxy_port; /* port to listen for proxy connections on */
struct sockaddr_in hostaddr; /* host addr assembled from gethostbyname() */
extern int errno; /* defined by libc.a */
extern char *sys_myerrlist[];
void parse_args (int argc, char **argv);
void daemonize (int servfd);
void do_proxy (int usersockfd);
void reap_status (void);
void errorout (char *msg);
/*This is my modification.
I'll tell you why we must do this later*/
typedef void Signal(int);
/****************************************************************
function: main
description: Main level driver. After daemonizing the process, a socket is opened to listen for connections on the proxy port, connections are accepted and children are spawned to handle each new connection.
arguments: argc,argv you know what those are.
return value: none.
calls: parse_args, do_proxy.
globals: reads proxy_port.
****************************************************************/
main (argc,argv)
int argc;
char **argv;
{
int clilen;
int childpid;
int sockfd, newsockfd;
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
parse_args(argc,argv);
/* prepare an address struct to listen for connections */
bzero((char *) &servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = proxy_port;
/* get a socket... */
if ((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0) {
fputs("failed to create server socket\r\n",stderr);
exit(1);
}
/* ...and bind our address and port to it */
if (bind(sockfd,(struct sockaddr_in *) &servaddr,sizeof(servaddr)) < 0) {
fputs("faild to bind server socket to specified port\r\n",stderr);
exit(1);
}
/* get ready to accept with at most 5 clients waiting to connect */
listen(sockfd,5);
/* turn ourselves into a daemon */
daemonize(sockfd);
/* fall into a loop to accept new connections and spawn children */
while (1) {
/* accept the next connection */
clilen = sizeof(cliaddr);
newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr_in *) &cliaddr, &clilen);
if (newsockfd < 0 && errno == EINTR)
continue;
/* a signal might interrupt our accept() call */
else if (newsockfd < 0)
/* something quite amiss -- kill the server */
errorout("failed to accept connection");
/* fork a child to handle this connection */
if ((childpid = fork()) == 0) {
close(sockfd);
do_proxy(newsockfd);
exit(0);
}
/* if fork() failed, the connection is silently dropped -- oops! */
lose(newsockfd);
}
}
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上面就是Proxy源代码的主程序部分，也许您在网上也曾经看到过这段代码，不过细心的您会发现在上面这段代码中我修改了两个地方，都是在预编译部分。一个地方是在定义外部字符型指针数组时，我将原代码中的
extern char *sys_errlist[];
修改为
extern char *sys_myerrlist[];原因是在我的Linux环境下头文件"stdio.h"已经对sys_errlist[]进行了如下定义：
extern __const char *__const sys_errlist[];
也许Carl Harris在94年编写这段代码时系统还没有定义sys_errlist[]，不过现在我们不修改一下的话，编译时系统就会告诉我们sys_errlist发生了定义冲突。
另外我添加了一个函数类型定义：
typedef void Sigfunc(int);
具体原因我将在后面向大家解释。
套接字和套接字地址结构定义
这段主程序是一段典型的服务器程序。网络通讯最重要的就是套接字的使用，在程序的一开始就对套接字描述符sockfd和newsockfd进行了定义。 接下来定义客户机/服务器的套接字地址结构cliaddr和servaddr，存储客户机/服务器的有关通信信息。然后调用parse_args (argc,argv)函数处理命令参数。关于这个parse_args()函数我们待会儿再做介绍。
创建通信套接字
下面就是建立一个服务器的详细过程。服务器程序的第一个操作是创建一个套接字。这是通过调用函数socket()来实现的。socket()函数的具体描述为：
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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
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参数domain指定套接字使用的协议族，AF_INET表示使用TCP/IP协议族，AF_UNIX表示使用Unix协议族，AF_ISO表示套接 字使用ISO协议族。type指定套接字类型，一般的面向连接通信类型（如TCP）设置为SOCK_STREAM，当套接字为数据报类型时，type应设 置为SOCK_DGRAM，如果是可以直接访问IP协议的原始套接字则type应设置为SOCK_RAW。参数protocol一般设置为"0"，表示使 用默认协议。当socket()函数成功执行时，返回一个标志这个套接字的描述符，如果出错则返回"-1"，并设置errno为相应的错误类型。
设置服务器套接字地址结构
在通常情况下，首先要将描述服务器信息的套接字地址结构清零，然后在地址结构中填入相应的内容，准备接受客户机送来的连接建立请求。这个清零操作可以用 多种字节处理函数来实现，例如bzero()、bcopy()、memset()、memcpy()等，以字母"b"开始的两个函数是和BSD系统兼容 的，而后面两个是ANSI C提供的函数。这段代码中使用的bzero()其描述为：
void bzero(void *s, int n);
函数的具体操作是将参数s指定的内存的前n个字节清零。memset()同样也很常用，其描述为：
void *memset(void *s, int c, size_t n);
具体操作是将参数s指定的内存区域的前n个字节设置为参数c的内容。
下一步就是在已经清零的服务器套接字地址结构中填入相应的内容。Linux系统的套接字是一个通用的网络编程接口，它应该支持多种网络通信协议，每一 种协议都使用专门为自己定义的套接字地址结构（例如TCP/IP网络的套接字地址结构就是struct sockaddr_in）。不过为了保持套接字函数调用参数的一致性，Linux系统还定义了一种通用的套接字地址结构：
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<linux/socket.h>
struct sockaddr
{
unsigned short sa_family; /* address type */
char sa_data[14]; /* protocol address */
}
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其中sa_family意指套接字使用的协议族地址类型，对于我们的TCP/IP网络，其值应该是AF_INET，sa_data中存储具体的协议地 址，不同的协议族有不同的地址格式。这个通用的套接字地址结构一般不用做定义具体的实例，但是常用做套接字地址结构的强制类型转换，如我们经常可以看到这 样的用法：
bind(sockfd,(struct sockaddr *) &servaddr,sizeof(servaddr))
用于TCP/IP协议族的套接字地址结构是sockaddr_in，其定义为：
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<linux/in.h>
struct in_addr
{
__u32 s_addr;
};
struct sochaddr_in
{
short int sin_family;
unsigned short int sin_port;
struct in_addr sin_addr;
/*This part has not been taken into use yet*/
nsigned char_ _ pad[_ _ SOCK_SIZE__- sizeof(short int) -sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
};
#define sin_zero_ - pad
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其中sin_zero成员并未使用，它是为了和通用套接字地址struct sockaddr兼容而特意引入的。在编程时，一般都通过bzero()或是memset（）将其置零。其他成员的设置一般是这样的：
servaddr.sin_family = AF_INET;
表示套接字使用TCP/IP协议族。
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
设置服务器套接字的IP地址为特殊值INADDR_ANY，这表示服务器愿意接收来自任何网络设备接口的客户机连接。htonl()函数的意思是将主机顺序的字节转换成网络顺序的字节。
servaddr.sin_port = htons(PORT);
设置通信端口号，PORT应该是我们已经定义好的。在本例中servaddr.sin_port = proxy_port;这是表示端口号是函数的返回值proxy_port。
另外需要说明的一点是，在本例中，我们并没有看到在预编译部分中包含有<linux/socket.h>和< linux/in.h>这两个头文件，那是因为这两个头文件已经分别被包含在<sys/types.h>和< sys/types.h>中了，而且后面这两个头文件是与平台无关的，所以在网络通信中一般都使用这两个头文件。
服务器公开地址
如果服务器要接受客户机的连接请求，那么它必须先要在整个网络上公开自己的地址。在设置了服务器的套接字地址结构之后，可以通过调用函数bind()绑定服务器的地址和套接字来完成公开地址的操作。函数bind()的详细描述为：
-----------------------------------------------------------------
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, struct sockaddr *addr, int addrlen);
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参数sockfd是我们通过调用socket()创建的套接字描述符。参数addr是本机地址，参数addrlen是套接字地址结构的长度。函数执行成功时返回"0",否则返回"-1"，并设置errno变量为EADDRINUAER。
如果是服务器调用bind()函数，如果设置了套接字的IP地址为某个本地IP地址，那么这表示服务器只接受来自于这个IP地址的特定主机发出的连接 请求。不过一般情况下都是将IP地址设置为INADDR_ANY，以便接受所有网络设备接口送来的连接请求。
客户机一般是不会调用bind()函数的，因为客户机在连接时不用指定自己的套接字地址端口号，系统会自动为客户机选择一个未用端口号，并且用本地 IP地址自动填充客户机套接字地址结构中的相应项。但是在某些特定的情况下客户机需要使用特定的端口号，例如Linux中的rlogin命令就要求使用保 留端口号，而系统是不能为客户机自动分配保留端口号的，这就需要调用bind()来绑定一个保留端口号了。不过在一些特殊的环境下，这样绑定特定端口号也 会带来一些负面影响，如在HTTP服务器进入TIME_WAIT状态后，客户机如果要求再次与服务器建立连接，则服务器会拒绝这一连接请求。如果客户机最 后进入TIME_WAIT状态，则马上再次执行bind（）函数时会返回出错信息"-1"，原因是系统会认为同时有两次连接绑定同一个端口。
转换Listening套接字
接下来，服务器需要将我们刚才与IP地址和端口号完成绑定的套接字转换成倾听listening套接字。只有服务器程序才需要执行这一步操作。我们通过调用函数listen()实现这一操作。listen()的详细描述为：
-----------------------------------------------------------------
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
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参数sockfd指定我们要求转换的套接字描述符，参数backlog设置请求队列的最大长度。函数listen()主要完成以下操作。
首先是将套接字转换成倾听套接字。因为函数socket()创建的套接字都是主动套接字，所以客户机可以通过调用函数connect()来使用这样的 套接字主动和服务器建立连接。而服务器的情况恰恰相反，服务器需要通过套接字接收客户机的连接请求，这就需要一个"被动"套接字。listen()就可将 一个尚未连接的主动套接字转换成为这样的"被动"套接字，也就是倾听套接字。在执行了listen()函数之后，服务器的TCP就由CLOSED变成 LISTEN状态了。
另外listen()可以设置连接请求队列的最大长度。虽然参数backlog的用法非常简单，只是一个简单的整数。但搞清楚请求队列的含义对理解TCP 协议的通信过程建立非常重要。TCP协议为每个倾听套接字实际上维护两个队列，一个是未完成连接队列，这个队列中的成员都是未完成3次握手的连接；另一个 是完成连接队列，这个队列中的成员都是虽然已经完成了3次握手，但是还未被服务器调用accept()接收的连接。参数backlog实际上指定的是这个 倾听套接字完成连接队列的最大长度。在本例中我们是这样用的：listen(sockfd,5);表示完成连接队列的最大长度为5。
接收连接
接下来我们在主程序中看到通过名为daemonize()的自定义函数创建一个守护进程，关于这个daemonize()以及守护进程的相关概念，我 们等一会儿再做详细介绍。然后服务器程序进入一个无条件循环，用于监听接收客户机的连接请求。在此过程中如果有客户机调用connect()请求连接，那 么函数accept()可以从倾听套接字的完成连接队列中接受一个连接请求。如果完成连接队列为空，这个进程就睡眠。accept()的详细描述为：
-----------------------------------------------------------------
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, int *addrlen);
-----------------------------------------------------------------
参数sockfd是我们转换成功的倾听套接字描述符；参数addr是一个指向套接字地址结构的指针，参数addrlen为一个整型指针。当函数成功执 行时，返回3个结果，函数返回一个新的套接字描述符，服务器可以通过这个新的套接字描述符和客户机进行通信。参数addr所指向的套接字地址结构中将存放 客户机的相关信息，addrlen指针将描述前述套接字地址结构的长度。在通常情况下服务器对这些信息不是很感兴趣，因此我们经常可以看到一些源代码中将 accept()函数的后两个参数都设置为NULL。不过在这段proxy源代码中需要用到有关的客户机信息，因此我们看到通过执行
newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr_in *) &cliaddr, &clilen);
将客户机的详细信息存放在地址结构cliaddr中。而proxy就通过套接字newsockfd与客户机进行通信。值得注意的是这个返回的套接字描 述符与我们转换的倾听套接字是不同的。在一段服务器程序中，可以始终只用一个倾听套接字来接收多个客户机的连接请求；而如果我们要和客户机建立一个实际的 连接的话，对每一个请求我们都需要调用accept()返回一个新的套接字。当服务器处理完毕客户机的请求后，一定要将相应的套接字关闭；如果整个服务器 程序将要结束，那么一定要将倾听套接字关闭。
如果accept()函数执行失败，则返回"-1"，如果accept()函数阻塞等待客户机调用connect()建立连接，进程在此时恰好捕捉到 信号，那么函数在返回"-1"的同时将变量errno的值设置为EINTR。这和accept()函数执行失败是有区别的。因此我们在代码中可以看到这样 的语句：
-----------------------------------------------------------------
if (newsockfd < 0 && errno == EINTR)
continue;
/* a signal might interrupt our accept() call */
else if (newsockfd < 0)
/* something quite amiss -- kill the server */
errorout("failed to accept connection");
-----------------------------------------------------------------
可以看出程序在处理这两种情况时操作是完全不同的，同样是accept()返回"-1"，如果有errno == EINTR，那么系统将再次调用accept()接受连接请求，否则服务器进程将直接结束。
处理客户机请求
当服务器与客户机建立连接以后，就可以处理客户机的请求了。一般情况下服务器程序都要创建一个子进程用于处理客户机请求；而父进程则继续监听，时刻准备 接受其它客户机的连接请求。我们这段proxy程序也不例外。它通过调用fork()创建处理客户机请求的子进程。我想在linux/Unix编程中， fork()的重要性不用我再多说什么了，在大型的服务器程序中，一般都要在子进程里，根据客户机请求的不同而通过exec()系列函数调用不同的处理程 序，这也是在学习linux/Unix编程中一个非常重要的地方。不过我们这个proxy程序旨在讲述一些linux网络编程的基本概念，因此在子程序部 分就直接调用了一个完成proxy功能的函数do_proxy()，其实际参数newsockfd就是accept()返回的套接字描述符。另外值得注意 的一点就是，因为子进程继承了所有父进程中可用的文件描述符，所以我们必须在子进程中关闭倾听套接字（代码中子进程部分的close (sockfd);），同时在父进程中关闭accept()返回的套接字描述符（例如代码中父进程部分的close(newsockfd);）。
◆函数parse_args()
此函数的定义是：void parse_args (int argc, char **argv);
-----------------------------------------------------------------
/****************************************************************
function: parse_args
description: parse the command line args.
arguments: argc,argv you know what these are.
return value: none.
calls: none.
globals: writes proxy_port, writes hostaddr.
****************************************************************/
void parse_args (argc,argv)
int argc;
char **argv;
{
int i;
struct hostent *hostp;
struct servent *servp;
unsigned long inaddr;
struct {
char proxy_port [16];
char isolated_host [64];
char service_name [32];
} pargs;
if (argc < 4) {
printf("usage: %s <proxy-port> <host> <service-name|port-number>\r\n", argv[0]);
exit(1);
}
strcpy(pargs.proxy_port,argv[1]);
strcpy(pargs.isolated_host,argv[2]);
strcpy(pargs.service_name,argv[3]);
for (i = 0; i < strlen(pargs.proxy_port); i++)
if (!isdigit(*(pargs.proxy_port + i)))
break;
if (i == strlen(pargs.proxy_port))
proxy_port = htons(atoi(pargs.proxy_port));
else {
printf("%s: invalid proxy port\r\n",pargs.proxy_port);
exit(0);
}
bzero(&hostaddr,sizeof(hostaddr));
hostaddr.sin_family = AF_INET;
if ((inaddr = inet_addr(pargs.isolated_host)) != INADDR_NONE)
bcopy(&inaddr,&hostaddr.sin_addr,sizeof(inaddr));
else if ((hostp = gethostbyname(pargs.isolated_host)) != NULL)
bcopy(hostp->h_addr,&hostaddr.sin_addr,hostp->h_length);
else {
printf("%s: unknown host\r\n",pargs.isolated_host);
exit(1);
}
if ((servp = getservbyname(pargs.service_name,TCP_PROTO)) != NULL)
hostaddr.sin_port = servp->s_port;
else if (atoi(pargs.service_name) > 0)
hostaddr.sin_port = htons(atoi(pargs.service_name));
else {
printf("%s: invalid/unknown service name or port number\r\n", pargs.service_name);
exit(1);
}
}
-----------------------------------------------------------------
这个函数的作用是传递命令行参数。参数的传递是通过两个全局变量来实现的，这两个变量是int proxy_port和struct sockaddr_in hostaddr。分别用于传递等待连接请求的proxy端口和被绑定的主机网络信息。
检验命令行参数
在进行了局部变量定义以后，函数首先要检测命令行参数是否符合程序的要求，即在命令后紧跟代理服务器端口、远程主机名和服务端口号，如果不满足上述要 求，则代理服务器程序结束。如果满足上述要求，则将命令行的这三个参数存储进我们自定义的pargs结构之中。注意pargs结构的三个成员都是以字符形 式存放命令行参数信息的，后面我们需要调用函数将这些参数信息都转换成为数字形式的。
传递参数
接下来就要将命令行的三个参数变换成合适的形式赋值给全局变量proxy_port和hostaddr，以供其它函数调用。首先传送代理服务器端口 pargs.proxy_port，在这里程序调用了一个系统函数isdigit()检验用户输入的端口号是否有效。isdigit()的具体描述为：
-----------------------------------------------------------------
#include <ctype.h>
int isdigit(int c)
-----------------------------------------------------------------
isdigit()函数用来检测参数"c"是否是数字1~9中间的一个，如果答案是肯定的，则返回非"0"值，反之，返回"0"。程序中采用了这样的方法来对用户的输入进行逐位检验：
if (!isdigit(*(pargs.proxy_port + i)))
break;
在将有效端口号传递给全局变量proxy_port之前，还要将其转换成为网络字节顺序。这是因为网络中存在着多个公司的不同设备，这些设备表示数据 的字节顺序是不同的。例如在内存地址0x1000处存储一个16位的整数FF11，不同公司的机器在内存中的存储方式也不相同，有的将FF置于内存指针的 起始位置0x1000，11置于0x1001，这称为big-endian顺序；有的却恰恰相反，即little-endian顺序。这种基于主机的数据 存储顺序就称为主机字节顺序（host byte order）。为了在不同类型的主机之间进行通信，网络协议就规定了一种统一的网络字节顺序，这种顺序被规定为little-endian顺序。所以数据 的网络字节顺序和主机字节顺序有可能是不同的，因此在编写通信程序时一定要注意不同顺序之间的转换。所以，程序中一定要有例程中这样的语句：
proxy_port = htons(atoi(pargs.proxy_port));
函数htons()的作用就是将主机字节顺序转换为网络字节顺序。它的具体描述为：
-----------------------------------------------------------------
#include <netinet/in.h>
unsigned short int htons(unsigned short int data)
-----------------------------------------------------------------
与htons()相似的函数还有三个，它们分别是htonl()、ntohs()和ntohl()，都用于网络与主机字节顺序之间的转换。如果这几个 名字比较容易混淆的话，我们可以这样记忆：函数名中的h代表host，n代表network，s代表unsigned short，l代表unsigned long。所以"hton"即为"host-to-network":变换主机字节为网络字节。接收数据的就要用到"ntoh"（"network-to -host"）函数了。
在我们的例程中，由于端口号一般情况下最多不会超过4位数字，所以选用unsigned short型的htons()即可。
注意在例程中htons()的参数是另一个函数atoi()的返回结果。atoi()函数的具体描述为：
-----------------------------------------------------------------
#include <stdlib.h>
int atoi(const char *nptr)
-----------------------------------------------------------------
它的作用是将字符指针nptr指向的字符串转换成相应的整数并将其作为结果返回。这个操作与函数调用strtol(nptr,(char **)NULL,10)的效果几乎完全相同，唯一的区别是atoi()没有出错返回信息。之所以要调用这个函数是因为，系统在读取命令行的时候将所有的参 数都作为字符串处理，所以我们必须将其转换为整数形式。
接下来,例程先将全局变量hostaddr的所有成员清零，然后将成员hostaddr.sin_family设置为TCP/IP协议族标志 AF_INET。下面就可将命令行的另外两个参数<remote_host>和<service_port>传递给全局变量 hostaddr的两个成员hostaddr.sin_port和hostaddr.sin_addr了。这里我们用到了两个局部变量struct hostent *hostp和struct servent *servp来传递参数信息。struct hostent的详细描述为：
-----------------------------------------------------------------
(qipnx) |
