Basic Socket Programming

1. Struct address

1.1. Struct sockaddr{}

struct sockaddr { unsigned short sa_family; // address family, AF_xxx char sa_data[14]; // 14 bytes of protocol address
};

Cấu trúc này sử dụng hầu hết trong các system call ở phần 2, trong đó:

• sa_family là address family, có dạng AF_xxxx, chủ yếu ta sử dụng AF_INET
• sa_data[]: lưu trữ địa chỉ đích và cổng

1.2. Struct sockaddr_in{}

struct sockaddr_in { short int sin_family; // Address family unsigned short int sin_port; // Port number struct in_addr sin_addr; // Internet address unsigned char sin_zero[8]; // Same size as struct sockaddr
}; 

// Internet address (a structure for historical reasons)
struct in_addr { unsigned long s_addr; // that's a 32-bit long, or 4 bytes
}; 

Là một cấu trúc song song với struct sockaddr{}, bởi vì việc lưu và lấy dữ liệu trong struct sockaddr{} khá phức tạp, ta sử dụng cấu trúc này.

Đối với 1 số func yêu cầu cấu trúc trên, có thể sử dụng cấu trúc sockaddr_in sau đó tiến hành ép kiểu.

int sockfd;
struct sockaddr_in my_addr; sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // do some error checking! my_addr.sin_family = AF_INET; // host byte order
my_addr.sin_port = htons(MYPORT); // short, network byte order
my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.12.110.57");
memset(&(my_addr.sin_zero), '\0', 8); // zero the rest of the struct // int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen); bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr));

1.3. Struct hostent{}

Cấu trúc lưu trữ dữ liệu host, chủ yếu sử dụng trong việc chuyển đổi giữa ip address và host (DNS), sử dụng ở phần 4 - Chuyển đổi giữa Host name và IP address. Đặc trưng là 2 function sau:

struct hostent* gethostbyname(const char* hostname)

struct hostent* gethostbyaddr(const char* addr, size_t len, int family)

struct hostent { char *h_name; /* official name of host */ char **h_aliases; /* alias list */ int h_addrtype; /* host address type */ int h_length; /* length of address */ char **h_addr_list; /* list of addresses */ }

2. Xử lý dữ liệu

2.1. Chuyển đổi giữa host byte và network byte

Dữ liệu được lưu trữ theo 2 kiểu Big-endian và Little-endian. Đọc thêm về 2 kiểu dữ liệu này 2 đây: https://viblo.asia/p/little-endian-vs-big-endian-E375z0pWZGW

Trong lập trình socket, có 2 tên gọi lưu trữ dữ liệu là Host byte order và Network byte order(IP), tương ứng với Little-endian và Big-endian. Sử dụng Network byte order đối với các dữ liệu cần truyền qua các máy chủ khác nhau. Vì vậy cần chuyển giữa 2 kiểu dữ liệu này bằng các function sau:

• htons() -- "Host to Network Short"
• htonl() -- "Host to Network Long"
• ntohs() -- "Network to Host Short"
• ntohl() -- "Network to Host Long"

Trong đó Short thực hiện chuyển đổi với loại 2 bytes (sử dụng chuyển đổi cho port), Long là 4 bytes (sử dụng chuyển đổi cho network)

Ví dụ mình có port 64, cần lưu trữ trong biến sin_port trong struct sockaddr_sin, và đương nhiên cần được lưu ở dạng Network byte order vì dữ liệu này được truyền đi.

64 có giá trị hex là 0x40, hay ở dạng 2 bytes được viết là 0x0040. Thực hiện chuyển đổi sin_addr = htons(64), hàm này thực hiện chuyển từ little qua big, vậy giá trị hex của nó sẽ là 0x4000 và có giá trị là 16384. Đó là lý do khi mình run chương trình sau sẽ được kết quả là 16384. Hiểu đơn giản hơn cả 2 kiểu chuyển đổi đều làm đảo byte, tuy nhiên ta có 2 loại func khác nhau để hiểu rõ loại chuyển đổi.

2.2. Chuyển đổi string host thành host address và ngược lại

inet_addr()

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h> struct sockaddr_in my_addr
my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1"); => 192.168.1.1 (Network byte order - Big endian)

inet_aton()

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h> int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);

Hàm này chuyển đổi const char *cp (string address) thành dạng numbers-and-dots, lưu trữ trong struct in_addr mà ta sử dụng trong struct sockaddr_in

Example:

struct sockaddr_in my_addr; my_addr.sin_family = AF_INET; // host byte order
my_addr.sin_port = htons(MYPORT); // short, network byte order
inet_aton("10.12.110.57", &(my_addr.sin_addr));
memset(&(my_addr.sin_zero), '\0', 8); // zero the rest of the struct 

inet_ntoa

Chuyển đổi từ dạng numbers_and_dots thành string address

char* inet_ntoa(struct in_addr inp);

Example

string *addr = inet_ntoa(my_addr.sin_addr);

3. System calls

Nguồn tham khảo: https://www.gta.ufrj.br/ensino/eel878/sockets/syscalls.html

3.1. Socket()

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> //để sử dụng socket() int socket(int domain, int type, int protocol); 

Tạo 1 socket, trả về file descriptor, có giá trị nhỏ nhất mà chưa được sử dụng. Bằng -1 nếu thất bại.

• domain: sử dụng PF_INET
• type: SOCK_STREAM hoặc SOCK_DGRAM
• protocol: 0 để tự động chọn giao thức thích hợp

Xem thêm bằng: man socket

3.2. Bind()

Khi 1 socket được tạo, chưa có 1 giá trị nào được gán cho socket (ipaddress, port), bind() sử dụng để làm điều đó. Xem thêm tại man bind

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen); 

• sockfd: sock file descriptor
• struct sockaddr *my_addr:
• addrlen : size của address, có thể sử dụng sizeof(struct sockaddr)

Example:

#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h> #define MYPORT 3490 main()
{ int sockfd; struct sockaddr_in my_addr; sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // do some error checking! my_addr.sin_family = AF_INET; // host byte order my_addr.sin_port = htons(MYPORT); // short, network byte order my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.12.110.57"); memset(&(my_addr.sin_zero), '\0', 8); // zero the rest of the struct // don't forget your error checking for bind(): bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr));
}

3.3. Connect()

Kết nối với 1 máy chủ từ xa

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen); 

• sockfd: sock file desciptor
• struct sockaddr *serv_addr: Cấu trúc lưu địa chỉ và cổng đích kết nối
• addrlen: size địa chỉ, sử dụng sizeof(struct sockaddr)

Hàm này sẽ trả về giá trị -1 nếu gặp lỗi.

Example:

#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h> #define DEST_IP "10.12.110.57"
#define DEST_PORT 23 main()
{ int sockfd; struct sockaddr_in dest_addr; // will hold the destination addr sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // do some error checking! dest_addr.sin_family = AF_INET; // host byte order dest_addr.sin_port = htons(DEST_PORT); // short, network byte order dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(DEST_IP); memset(&(dest_addr.sin_zero), '\0', 8); // zero the rest of the struct // don't forget to error check the connect()! connect(sockfd, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(struct sockaddr));
}

3.4. Listen()

Đợi các kết nối từ xa đến và xử lý

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> int listen(int sockfd, int backlog); 

• sockfd: sock file descriptor
• backlog: số kết nối được gửi đến trên hàng chờ đợi được xử lý

Trả về fd hoặc giá trị -1 nếu gặp lỗi

Vì hàm listen() nhận kết nối từ 1 host khác, nên cần thiết lập port mà ta nhận vào. Vì vậy quá trình sẽ là:

• socket() => bind() => listen() => accept()

Chúng ta sẽ nói về hàm accept() ở phần dưới.

3.5. Accept()

Chấp nhận kết nối tới và trả về 1 file desciptor (cùng giá trị với fd của listen), sử dụng để gửi và nhận data với 2 func send() và recv().

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• sockfd: fd của listen()
• struct sockaddr *addr: con trỏ trỏ đến cấu trúc lưu trữ địa chỉ struct sockaddr_in
• socklen_t *addrlen: con trỏ trỏ đến biến lưu trữ sizeof(struct sockaddr_in)

Trả về fd với sử dụng cho send() và recv() ở phần dưới

Example

#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h> #define MYPORT 3490 // the port users will be connecting to #define BACKLOG 10 // how many pending connections queue will hold main()
{ int sockfd, new_fd; // listen on sock_fd, new connection on new_fd struct sockaddr_in my_addr; // my address information struct sockaddr_in their_addr; // connector's address information int sin_size; sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // do some error checking! my_addr.sin_family = AF_INET; // host byte order my_addr.sin_port = htons(MYPORT); // short, network byte order my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // auto-fill with my IP memset(&(my_addr.sin_zero), '\0', 8); // zero the rest of the struct // don't forget your error checking for these calls: bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)); listen(sockfd, BACKLOG); sin_size = sizeof(struct sockaddr_in); new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr, &sin_size);
}

3.6. Send() và Recv()

Send()

int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);

• sockfd: fd của host muốn gửi dữ liệu, có thể là fd được trả về bởi socket() hoặc accept()
• const void *msg: data cần gửi
• int len: Độ lớn của dữ liệu tính theo byte
• int flags: Đặt giá trị bằng 0

Hàm trả về số byte được gửi đi, gửi hết nếu số byte nhở hơn 1K. So sánh giá trị trả về với int len để biết dữ liệu gửi hết chưa và xử lý phần còn lại.

Recv()

Nhận dữ liệu được gửi đến

int recv(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags);

• sockfd: fd của nơi gửi
• void *buf: buffer chứa dữ liệu
• int len: độ lớn dữ liệu tối đa nhận vào
• flags đặt thành 0

Hàm trả về -1 nếu xảy ra lỗi, 0 nếu kết nối bị đóng và giá trị khác là số byte nhận được

3.7. Close() và shutdown()

Close()

close(sockfd)

• sockfd: fd muốn đóng kết nối, ngưng gửi và nhận dữ liệu

shutdown()

int shutdown(int sockfd, int how); 

• sockfd: fd muốn đóng kết nối
• how: cách đóng (0-ngưng nhận, 1-ngưng gửi, 2-ngưng nhận và gửi)

4. Chuyển đổi giữa Host name và IP address

5. Xử lý lỗi trong socket

Để in lỗi trong quá trình kết nối hay sử dụng các function, ta sử dụng hàm perror() và herror() trong thư viện errno.h

Ví dụ khi gặp lỗi trả về -1 trong hàm socket(), ta thực hiện in lỗi bằng hàm perror("socket"); Example:

if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) { perror("socket"); exit(1); }

Đổi với các function xử lý DNS (ở phần 4), sử dụng hàm herror để in ra lỗi. Example:

if ((he=gethostbyname("facebook.com")) == NULL) { // get the host info herror("gethostbyname"); }