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河南师范大学设计性实验报告Linux网络编程实验 河南师范大学综合性、设计性实验项目简介学院名称（公章）： 软件学院 2012-2013学年第 一 学期 填表日期： 2012年 12 月 10日实验课程名称TCP/IP协议分析 实验项目名称Linux网络编程实验实验项目性质1、综合性 2、设计性 主讲教师毛文涛开课年级2010开课专业10计算机5、6班（network）实验地点413开课日期2012年 9月10 日至 2013 年1 月7日开课时间第16周 星期二下午5-6节实验项目简介：一、实验目的（1）理解Socket概念；（2）理解并掌握Socket模型下获得本机IP信息的方法；（3）理解并发服务器模型，掌握通用套接字开发技术；（4）掌握Linux平台数据结构的传送方法。二、实验内容（1）编写获得本机IP信息的程序；（2）编写基于并发服务器模式的网络通信原型系统；（3）要求至少综合使用到实验目的中提到的三条或三条以上内容。三、实验条件学院提供网络实验室，1台/学生微型计算机，安装有Linux虚拟机。四、实验原理 程序进行网络通信时，是通过IP 地址和套接字来访问一个主机的。1. IP 地址 IP 地址的作用是标识计算机的网卡地址，每一台计算机都有一个IP 地址。在程序中是通过IP 地址来访问一台计算机的。IP 地址是32 位长度的二进制数值，存储空间是4 个字节。例如1100000010101000 00000001 00000110 是一台计算机的IP 地址。IP 地址可以使用点分十进制来表示，。2. 端口 所谓端口，是指计算机中为了标识在计算机中访问网络的不同程序而设的编号。端口号是一个16 位的无符号整数，对应的十进制取值范围是065535。3. TCP 与UDP TCP 与UDP 是两种不同的网络传输方式。两个不同计算机中的程序，使用IP 地址和端口，要使用一种约定的方法进行数据传输。TCP 与UDP 就是网络中的两种数据传输约定，主要的区别是进行数据传输时是否进行连接。TCP：TCP 是一种面向连接的网络传输方式。这种方式是可靠的，缺点是传过程复杂，需要占用较多的网络资源。UDP：UDP 是一种不面向连接的传输方式。对传输可靠性要求不高时，可以选择使用这种传输方式。4. 套接字 区分不同应用程序进程间的网络通信和连接，主要使用3 个参数。通信的目的IP 地址、使用的传输层协议（TCP 或UDP ）和使用的端口号。在编程时，就是使用这三个参数来构成一个套接字。这个套接字相当于一个接口，可以进行不同计算机程序的信息传输。套接字相关的数据类型：sockaddr 用来保存一个套接字，定义方法如下所示。struct sockaddr/指定通信的地址类型。如果是TCP/IP 通信，则该值为AF_INET。unsigned short int sa_family;/最多使用14 个字符长度，用来保存IP 地址和端口信息。char sa_data14;socketaddr_in为了方便初始化端口号、IP地址等信息。struct socketaddr_inunsigned short int sin_family;uint16_t sin_port; /套接字使用的端口号struct in_addr sin_addr; /需要访问的IP 地址unsigned char sin_zero8; /未使用的字段，填充为0;套接字类型指的是在网络通信中不同的数据传输方式。例如UDP和 TCP 就是两种不同的套接字类型。常用的套接字类型有面3 种：流套接字（SOCK_STREAM）、数据报套接字（SOCK_DGRAM）、原始套接字（SOCK_RAW）。5. 重要的Socket API （1）socket（建立一个socket通信）相关函数accept，bind，connect，listen表头文件#include#include定义函数int socket(int domain,int type,int protocol);函数说明socket()用来建立一个新的socket，也就是向系统注册，通知系统建立一通信端口。参数domain 指定使用何种的地址类型，完整的定义在/usr/include/bits/socket.h 内，底下是常见的协议:PF_UNIX/PF_LOCAL/AF_UNIX/AF_LOCAL UNIX 进程通信协议PF_INET?AF_INET Ipv4网络协议PF_INET6/AF_INET6 Ipv6 网络协议PF_IPX/AF_IPX IPX-Novell协议PF_NETLINK/AF_NETLINK 核心用户接口装置PF_X25/AF_X25 ITU-T X.25/ISO-8208 协议PF_AX25/AF_AX25 业余无线AX.25协议PF_ATMPVC/AF_ATMPVC 存取原始ATM PVCsPF_APPLETALK/AF_APPLETALK appletalk（DDP）协议PF_PACKET/AF_PACKET 初级封包接口参数type有下列几种数值:SOCK_STREAM 提供双向连续且可信赖的数据流，即TCP。支持OOB 机制，在所有数据传送前必须使用connect()来建立连线状态。SOCK_DGRAM 使用不连续不可信赖的数据包连接SOCK_SEQPACKET 提供连续可信赖的数据包连接SOCK_RAW 提供原始网络协议存取SOCK_RDM 提供可信赖的数据包连接SOCK_PACKET 提供和网络驱动程序直接通信。protocol用来指定socket所使用的传输协议编号，通常此参考不用管它，设为0即可。返回值成功则返回socket处理代码，失败返回-1。错误代码 EPROTONOSUPPORT 参数domain 指定的类型不支持参数type或protocol指定的协议ENFILE 核心内存不足，无法建立新的socket结构EMFILE 进程文件表溢出，无法再建立新的socketEACCESS 权限不足，无法建立type或protocol指定的协议ENOBUFS/ENOMEM 内存不足EINVAL 参数domain/type/protocol 不合法（2）bind（绑定socket）相关函数socket，accept，connect，listen表头文件#include#include定义函数int bind(int sockfd,struct sockaddr * my_addr,int addrlen);函数说明bind()用来设置给参数sockfd的socket一个名称。此名称由参数my_addr 指向一sockaddr结构，对于不同的socket domain定义了一个通用的数据结构struct sockaddrunsigned short int sa_family;char sa_data14;sa_family 为调用socket（）时的domain 参数，即AF_xxxx值。sa_data 最多使用14个字符长度。此sockaddr 结构会因使用不同的socket domain 而有不同结构定义，例如使用AF_INET domain，其socketaddr 结构定义便为struct socketaddr_inunsigned short int sin_family;uint16_t sin_port;struct in_addr sin_addr;unsigned char sin_zero8;structin_addruint32_t s_addr;sin_family 即为sa_familysin_port 为使用的port编号sin_addr.s_addr 为IP 地址sin_zero 未使用。参数addrlen 为sockaddr 的结构长度。返回值成功则返回0，失败返回-1，错误原因存于errno中。错误代码 EBADF 参数sockfd 非合法socket处理代码。EACCESS 权限不足ENOTSOCK 参数sockfd为一文件描述词，非socket。（3）listen（等待连接）相关函数socket，bind，accept，connect表头文件#include定义函数int listen(int s,int backlog);函数说明listen()用来等待参数s 的socket连线。参数backlog指定同时能处理的最大连接要求，如果连接数目达此上限则client端将收到ECONNREFUSED的错误。Listen()并未开始接收连线，只是设置socket为listen 模式，真正接收client端连线的是accept()。通常listen()会在socket()，bind()之后调用，接着才调用accept()。返回值成功则返回0，失败返回-1，错误原因存于errno附加说明listen()只适用SOCK_STREAM或SOCK_SEQPACKET的socket类型。如果socket为AF_INET则参数backlog 最大值可设至128。错误代码 EBADF 参数sockfd非合法socket处理代码EACCESS 权限不足EOPNOTSUPP 指定的socket并未支援listen模式。（4）connect（建立socket连接）相关函数socket，bind，listen表头文件#include#include定义函数int connect (int sockfd,struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);函数说明connect()用来将参数sockfd 的socket 连至参数serv_addr 指定的网络地址。结构sockaddr请参考bind()。参数addrlen 为sockaddr的结构长度。返回值成功则返回0，失败返回-1，错误原因存于errno中。错误代码 EBADF 参数sockfd 非合法socket处理代码EFAULT 参数serv_addr 指针指向无法存取的内存空间ENOTSOCK 参数sockfd为一文件描述词，非socket。EISCONN 参数sockfd的socket已是连线状态ECONNREFUSED 连线要求被server 端拒绝。ETIMEDOUT 企图连线的操作超过限定时间仍未有响应。ENETUNREACH 无法传送数据包至指定的主机。EAFNOSUPPORT sockaddr 结构的sa_family不正确。EALREADY socket为不可阻断且先前的连线操作还未完成。（5）accept（接受socket连线）相关函数socket，bind，listen，connect表头文件#include#include定义函数int accept(int s,struct sockaddr * addr,int * addrlen);函数说明accept()用来接受参数s的socket连线。参数s的socket 必需先经bind()、listen()函数处理过，当有连线进来时accept()会返回一个新的socket处理代码，往后的数据传送与读取就是经由新的socket处理，而原来参数s的socket能继续使用accept()来接受新的连线要求。连线成功时，参数addr所指的结构会被系统填入远程主机的地址数据，参数addrlen 为scokaddr 的结构长度。关于结构sockaddr 的定义请参考bind()。返回值成功则返回新的socket处理代码，失败返回-1，错误原因存于errno中。错误代码 EBADF 参数s 非合法socket处理代码。EFAULT 参数addr指针指向无法存取的内存空间。ENOTSOCK 参数s为一文件描述词，非socket。EOPNOTSUPP 指定的socket并非SOCK_STREAM。EPERM 防火墙拒绝此连线。ENOBUFS 系统的缓冲内存不足。ENOMEM 核心内存不足。（6） send（经socket传送数据）相关函数sendto，sendmsg，recv，recvfrom，socket表头文件#include#include定义函数int send(int s,const void * msg,int len,unsigned int falgs);函数说明send()用来将数据由指定的socket 传给对方主机。参数s为已建立好连接的socket。参数msg指向欲连线的数据内容，参数len 则为数据长度。参数flags一般设0，其他数值定义如下MSG_OOB 传送的数据以out-of-band 送出。MSG_DONTROUTE 取消路由表查询MSG_DONTWAIT 设置为不可阻断运作MSG_NOSIGNAL 此动作不愿被SIGPIPE 信号中断。返回值成功则返回实际传送出去的字符数，失败返回-1。错误原因存于errno错误代码 EBADF 参数s 非合法的socket处理代码。EFAULT 参数中有一指针指向无法存取的内存空间ENOTSOCK 参数s为一文件描述词，非socket。EINTR 被信号所中断。EAGAIN 此操作会令进程阻断，但参数s的socket为不可阻断。ENOBUFS 系统的缓冲内存不足ENOMEM 核心内存不足EINVAL 传给系统调用的参数不正确。（7）sendto（经socket传送数据）相关函数send , sendmsg,recv , recvfrom , socket表头文件#include #include 定义函数int sendto ( int s , const void * msg, int len, unsigned int flags, conststruct sockaddr * to , int tolen ) ;函数说明sendto() 用来将数据由指定的socket传给对方主机。参数s为已建好连线的socket,如果利用UDP协议则不需经过连线操作。参数msg指向欲连线的数据内容，参数flags 一般设0，详细描述请参考send()。参数to用来指定欲传送的网络地址，结构sockaddr 请参考bind()。参数tolen 为sockaddr 的结果长度。返回值成功则返回实际传送出去的字符数，失败返回1，错误原因存于errno 中。错误代码 同send。（8）recv（经socket接收数据）相关函数recvfrom，recvmsg，send，sendto，socket表头文件#include#include定义函数int recv(int s,void *buf,int len,unsigned int flags);函数说明recv()用来接收远端主机经指定的socket传来的数据，并把数据存到由参数buf 指向的内存空间，参数len为可接收数据的最大长度。参数flags一般设0。其他数值定义如下:MSG_OOB 接收以out-of-band 送出的数据。MSG_PEEK 返回来的数据并不会在系统内删除，如果再调用recv()会返回相同的数据内容。MSG_WAITALL强迫接收到len 大小的数据后才能返回，除非有错误或信号产生。MSG_NOSIGNAL此操作不愿被SIGPIPE信号中断返回值成功则返回接收到的字符数，失败返回-1，错误原因存于errno中。错误代码 同send（9）recvfrom（经socket接收数据）相关函数recv，recvmsg，send，sendto，socket表头文件#include#include定义函数int recvfrom(int s,void *buf,int len,unsigned int flags ,struct sockaddr *from ,int*fromlen);函数说明recv()用来接收远程主机经指定的socket 传来的数据，并把数据存到由参数buf 指向的内存空间，参数len 为可接收数据的最大长度。参数flags 一般设0，其他数值定义请参考recv()。参数from用来指定欲传送的网络地址，结构sockaddr 请参考bind()。参数fromlen 为sockaddr 的结构长度。返回值成功则返回接收到的字符数，失败则返回-1，错误原因存于errno中。错误代码 同send。（10）select（I/O复用机制）表头文件#include#include#include定义函数int select(int n,fd_set * readfds,fd_set * writefds,fd_set * exceptfds,struct timeval *timeout);函数说明select()用来等待文件描述词状态的改变。参数n 代表最大的文件描述词加1，参数readfds、writefds 和exceptfds 称为描述词组，是用来回传该描述词的读，写或例外的状况。底下的宏提供了处理这三种描述词组的方式:FD_CLR(inr fd,fd_set* set)；用来清除描述词组set中相关fd 的位FD_ISSET(int fd,fd_set *set)；用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真FD_SET（int fd,fd_set*set）；用来设置描述词组set中相关fd的位FD_ZERO（fd_set *set）； 用来清除描述词组set的全部位参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间，其结构定义如下struct timevaltime_t tv_sec;time_t tv_usec;返回值如果参数timeout设为NULL则表示select（）没有timeout。错误代码执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数，如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds，exceptfds和timeout的值变成不可预测。EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭EINTR 此调用被信号所中断EINVAL 参数n 为负值。ENOMEM 核心内存不足范例常见的程序片段:fs_set readset；FD_ZERO(&readset);FD_SET(fd,&readset);select(fd+1,&readset,NULL,NULL,NULL);if(FD_ISSET(fd,readset)6.其他函数（1）inet_ntoa函数说明：函数将网络字节排序的地址转换为标准的ASCII以点分开的地址（格式如：ddd.ddd.ddd.ddd）。1）函数原型：char *inet_ntoa(struct in_addr in);2）函数相关头文件：#include #include #include3）函数的参数说明：in：待转换的IP地址结构。4）函数返回值：该函数返回指向点分开的字符串地址的指针，该字符串的空间为静态分配的，这意味着在第二次调用该函数时，上一次调用将会被重写（复盖），所以适当的时候需要保存该串。（2）inet_addr函数说明：函数转换网络主机地址（如0)为网络字节序二进制值。1）函数原型：in_addr_t inet_addr(const char *cp);2）函数相关头文件：同（1）。3）函数的参数说明：cp为待转换的IP地址字符串指针。4）函数返回值：如果参数char *cp无效，函数返回-1(INADDR_NONE)，这个函数在处理地址为55时也返回1。inet_aton和inet_ntoa只能用来来处理IPv4版本的网络字节和主机字节之间的转换。函数inet_pton和inet_ntop能够兼容地处理IPv4和IPv6。（3）inet_pton函数说明1）函数原型：int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);2）函数相关头文件：#include #include#include 3）函数的参数说明：函数转换ASCII类型的地址到网络字节序二进制结构。af：协议族；src：待转换IP地址指针，指向字符型的地址；dst：转换结果，网络顺序格式的地址。4）函数返回值：执行成功返回1；如果函数出错将返回-1，并将errno设置为EAFNOSUPPORT；如果参数af指定的地址族和src格式不对，函数将返回0。（4）inet_ntop函数说明：函数转换网络字节序二进制结构到ASCII类型的地址。1）函数原型：const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t cnt);2）函数相关头文件：同inet_pton。3）函数的参数说明：cnt为缓冲区dst的大小；其它同inet_pton。4）函数返回值：成功时返回字符地址的指针；出错时则返回一个空指针，并将errno置为ENOSPC。（5）.存储顺序转换因为每一个机器内部对变量的字节存储顺序不同（分为大端和小端存储），而网络传输的数据一定是统一的顺序，即网络字节顺序。所以要调用转换函数，将网络中传输的字节顺序进行统一。头文件中定义了一组转换函数，原型如下：uint16_t htons(uint16_t host16bitvalue);“Host to Network Short”主机字节顺序转换为网络字节顺序（对无符号短型进行操作4 bytes）。uint32_t htonl(uint32_t host32bitvalue);“Hostto Network Long”主机字节顺序转换为网络字节顺序（对无符号长型进行操作8 bytes）。以上两个函数均返回网络字节序。uint16_t ntohs(uint16_t net16bitvalue);“Network to Host Short”网络字节顺序转换为主机字节顺序（对无符号短型进行操作4 bytes）。uint32_t ntohl(uint32_t net32bitvalue);“Network to Host Long”网络字节顺序转换为主机字节顺序（对无符号长型进行操作8 bytes）。以上两个函数均返回主机字节序。五、实验步骤1、准备工作将虚拟机网络连接设置为桥接方式（自定义-VMnet0）；在虚拟机Linux系统中设置网络设备设置为自动获取IP地址方式（DHCP），让后通过ipconfig命令查看eth0的IP地址，并记录。步骤为：RedHat主菜单-系统设置-网络，编辑按钮，选择单选按钮“自动获取IP地址设置使用”。设置完毕的检测方法：可以两个同学之间使用ping命令互相测试。2、UDP客户端程序设计设计一个基于UDP协议（SOCK_DGRAM类型套接字）的客户端程序。程序的功能为，向教师机服务器端程序发送字符串（内容：学号+姓名）。服务器端的IP地址默认为17（或临时通知），端口号为5555。（1） 使用Linux下的VIM编写代码。参考程序udpclient.c：/* UDPClient.c#include #include #include #include #include #include #include #define BUFFLEN 1024#define SERVER_PORT 5555int main(int argc,char *argv)int s;struct sockaddr_in server;time_t now;char buffBUFFLEN;int n = 0;int len = 0;s = socket (AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(s0)printf(Received:%sn,buff);close(s);return 0;（2）在终端窗口中对程序进行编译。命令如下：make udpclient如无错误，将会产生test2udpclient可执行文件，运行./udpclient,观察教师机服务端。2、 TCP客户端程序设计在上述实验中，如果服务器端故障或网络线路故障，将导致的数据发送不成功称为丢包，但这样的错误，UDP客户端程序却无从察觉，同时客户端也无法获知服务器端是否准备就绪。设计一个基于TCP议（SOCK_STREAM类型套接字）的客户端程序。程序的功能为，向教师机服务器端程序发送字符串（内容学号+姓名）。服务器端的IP地址默认为17（或临时通知），端口号为6666。程序中增加对connect函数连接成功与否的判断，连接成功后发送上述字符串，反之提示连接错误信息。（1）使用Linux下的VIM编写代码。参考程序tcpclient.c：/* 客户端程序TCPClient.c */#include #include #include #include #include #include #include #include #define BUFFLEN 1024#define SERVER_PORT 6666int main(int argc, char *argv)int sockfd;char bufferBUFFLEN;struct sockaddr_in server_addr;int n;/*客户程序开始建立sockfd描述符*/if(sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)=-1) fprintf(stderr,Socket Error:%san,strerror(errno);exit(1);/*客户程序填充服务端的资料*/bzero(&server_addr,sizeof(server_addr);server_addr.sin_family=AF_INET;server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);if(argv1)server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv1);elseserver_addr.sin_addr.s_addr =inet_addr(17);/*客户程序发起连接请求*/if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(structsockaddr)=-1) fprintf(stderr,Connect Error:%san,strerror(errno);exit(1);elseprintf(OK: connect success!n);/*连接成功*/memset(buffer,0,BUFFLEN);strcpy(buffer,1089114100 学生姓名的全拼);send(sockfd,buffer,strlen(buffer),0);memset(buffer,0,BUFFLEN);n = recv(sockfd,buffer,BUFFLEN,0);if(n0) printf(Received:%sn,buffer);/*结束通讯*/close(sockfd);exit(0);（2） 在终端窗口中对程序进行编译。命令如下：make tcpclient如无错误，将会产生tcpclient可执行文件，两次运行./tcpclient，第一次给出一个错误的服务器端IP地址或端口号，观察本机错误提示信息，验证TCP为可靠连接方式；第二次给出正确的服务器IP地址和端口号，观察教师机服务端。3、简易Web服务器设计一个简易Web服务器程序，端口为80，该服务器程序运行后可通过浏览器访问到一个简易Web页面，页面主要信息为本人“学号+姓名”。可同学之间互相访问验证。（1）编写代码。简易Web服务器参考程序websvr.c：/*简易Web服务器程序*/#include #include #include #include #include #include #include #include #define PORT 80#define BACKLOG 10#define LENGTH 1024char httpweb=HTTP/1.0 200 OKrnDate: Sun, 17 Apr 2011 2011:10:00 GMTrnServer: tinyHttp/1.0 0891141 CorporationrnAccept-Ranges: bytesrnConnection: Keep-ClosernContent-Type: text/htmlrnrn;char web=rnrn演示 网 页rnrnHELLO WELCOME TO EMBEDDEDWEBSERVERrnrn/ 将此修改为本人学号+姓名rn 0891141学生rnrnrn;int main ()int sockfd;/ Socket file descriptorint nsockfd;/ New Socket file descriptorint i,num;int flag= 1;int sin_size;/ to store struct sizechar revbufLENGTH;struct sockaddr_in addr_local;struct sockaddr_in addr_remote;/* Get the Socket file descriptor */if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0) = -1 ) printf (ERROR: Cannot obtain Socket Despcritorn);return (0); else printf (OK: Obtain Socket Despcritor sucessfullyn);/* Fill the local socket address struct */addr_local.sin_family = AF_INET;/ Protocol Familyaddr_local.sin_port = htons(PORT);/ Port numberaddr_local.sin_addr.s_add