Socket用法

1套接字（socket）概念

套接字（socket）是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。

应用层通过传输层进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个 TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP／IP协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过Socket接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

 

2 建立socket连接

建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为ClientSocket，另一个运行于服务器端，称为ServerSocket。

套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。

服务器监听：服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求。

客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。

连接确认：当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

4、SOCKET连接与TCP连接

创建Socket连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket可以支持不同的传输层协议（TCP或UDP），当使用TCP协议进行连接时，该Socket连接就是一个TCP连接。

5、Socket函数用法

在C语言socket编程中，在进行网络连接前，需要用socket函数向系统申请一个通信端口。socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。描述符为-1表示创建失败。socket函数的使用方法如下：
　　int socket(int domain, int type, int protocol);
　　在参数表中，domain指定使用何种的地址类型，比较常用的有：
　　PF_INET, AF_INET： Ipv4网络协议；
　　PF_INET6, AF_INET6： Ipv6网络协议。
　　type参数的作用是设置通信的协议类型，可能的取值如下所示：
　　SOCK_STREAM： 提供面向连接的稳定数据传输，即TCP协议。
　　OOB： 在所有数据传送前必须使用connect()来建立连接状态。
　　SOCK_DGRAM： 使用不连续不可靠的数据包连接。
　　SOCK_SEQPACKET： 提供连续可靠的数据包连接。
　　SOCK_RAW： 提供原始网络协议存取。
　　SOCK_RDM： 提供可靠的数据包连接。
　　SOCK_PACKET： 与网络驱动程序直接通信。
　　参数protocol用来指定socket所使用的传输协议编号。这一参数通常不具体设置，一般设置为0即可。

BSD socket API 简介



BSD socket API 和 winsock API 接口大体差不多，下面将列出比较常用的 API：








API接口
讲解














int socket(int addressFamily, int type,
int protocol)

int close(int socketFileDescriptor)












socket 创建并初始化 socket，返回该 socket 的文件描述符，如果描述符为 -1 表示创建失败。


close 关闭 socket。


通常参数 addressFamily 是 IPv4(AF_INET) 或 IPv6(AF_INET6)。type 表示 socket 的类型，通常是流stream(SOCK_STREAM) 或数据报文datagram(SOCK_DGRAM)。protocol 参数通常设置为0，以便让系统自动为选择我们合适的协议，对于 stream socket 来说会是 TCP 协议(IPPROTO_TCP)，而对于 datagram来说会是 UDP 协议(IPPROTO_UDP)。
























int bind(int socketFileDescriptor,
sockaddr *addressToBind,
int addressStructLength) 




















将 socket 与特定主机地址与端口号绑定，成功绑定返回0，失败返回 -1。


成功绑定之后，根据协议(TCP/UDP)的不同，我们可以对 socket 进行不同的操作：
UDP：因为 UDP 是无连接的，绑定之后就可以利用 UDP socket 传送数据了。
TCP： 而 TCP 是需要建立端到端连接的，为了建立 TCP 连接服务器必须调用 listen(int socketFileDescriptor, int backlogSize) 来设置服务器的缓冲区队列以接收客户端的连接请求，backlogSize 表示客户端连接请求缓冲区队列的大小。当调用 listen 设置之后，服务器等待客户端请求，然后调用下面的 accept 来接受客户端的连接请求。






















int accept(int socketFileDescriptor,
sockaddr *clientAddress, int
clientAddressStructLength)













接受客户端连接请求并将客户端的网络地址信息保存到 clientAddress 中。


当客户端连接请求被服务器接受之后，客户端和服务器之间的链路就建立好了，两者就可以通信了。
















int connect(int socketFileDescriptor,
sockaddr *serverAddress, int
serverAddressLength)













客户端向特定网络地址的服务器发送连接请求，连接成功返回0，失败返回 -1。


当服务器建立好之后，客户端通过调用该接口向服务器发起建立连接请求。对于 UDP 来说，该接口是可选的，如果调用了该接口，表明设置了该 UDP socket 默认的网络地址。对 TCP socket来说这就是传说中三次握手建立连接发生的地方。


注意：该接口调用会阻塞当前线程，直到服务器返回。
















hostent* gethostbyname(char *hostname)











使用 DNS 查找特定主机名字对应的 IP 地址。如果找不到对应的 IP 地址则返回 NULL。














int send(int socketFileDescriptor, char
*buffer, int bufferLength, int flags)













通过 socket 发送数据，发送成功返回成功发送的字节数，否则返回 -1。


一旦连接建立好之后，就可以通过 send/receive 接口发送或接收数据了。注意调用 connect 设置了默认网络地址的 UDP socket 也可以调用该接口来接收数据。
















int receive(int socketFileDescriptor, char
*buffer, int bufferLength, int flags)













 从 socket 中读取数据，读取成功返回成功读取的字节数，否则返回 -1。


一旦连接建立好之后，就可以通过 send/receive 接口发送或接收数据了。注意调用 connect 设置了默认网络地址的 UDP socket 也可以调用该接口来发送数据。
















int sendto(int socketFileDescriptor,
char *buffer, int bufferLength, int
flags, sockaddr *destinationAddress, int
destinationAddressLength)













通过UDP socket 发送数据到特定的网络地址，发送成功返回成功发送的字节数，否则返回 -1。


由于 UDP 可以向多个网络地址发送数据，所以可以指定特定网络地址，以向其发送数据。
















int recvfrom(int socketFileDescriptor,
char *buffer, int bufferLength, int
flags, sockaddr *fromAddress, int
*fromAddressLength)













从UDP socket 中读取数据，并保存发送者的网络地址信息，读取成功返回成功读取的字节数，否则返回 -1 。


由于 UDP 可以接收来自多个网络地址的数据，所以需要提供额外的参数，以保存该数据的发送者身份。










 服务器工作流程


有了上面的 socket API 讲解，下面来总结一下服务器的工作流程。


      

    1. 

      服务器调用 socket(...) 创建socket；
      

      2. 

    2. 

      服务器调用 listen(...) 设置缓冲区；
      

      3. 

    3. 

      服务器通过 accept(...)接受客户端请求建立连接；
      

      4. 

    4. 

      服务器与客户端建立连接之后，就可以通过 send(...)/receive(...)向客户端发送或从客户端接收数据；
      

      5. 

    5. 

      服务器调用 close 关闭 socket；
      

      6. 



    由于 iOS 设备通常是作为客户端，因此在本文中不会用代码来演示如何建立一个iOS服务器，但可以参考前文：《深入浅出Cocoa之Bonjour网络编程》看看如何在 Mac 系统下建立桌面服务器。




 客户端工作流程


由于 iOS 设备通常是作为客户端，下文将演示如何编写客户端代码。先来总结一下客户端工作流程。


    

  1. 客户端调用 socket(...) 创建socket；
    2. 

  2. 客户端调用 connect(...) 向服务器发起连接请求以建立连接；
    3. 

  3. 客户端与服务器建立连接之后，就可以通过 send(...)/receive(...)向客户端发送或从客户端接收数据；
    4. 

  4. 客户端调用 close 关闭 socket；
    5. 



 




6.fcntl():针对(文件)描述符提供控制.参数fd 是被参数cmd操作(如下面的描述)的描述符.            针对cmd的值,fcntl能够接受第三个参数int arg


 int fcntl(int fd, int cmd, ...);


fcntl函数有5种功能： 


1.复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）. 
2.获得／设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD). 
3.获得／设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL). 
4.获得／设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN). 
5.获得／设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW).


1、获取文件的flags，即open函数的第二个参数:




       flags = fcntl(fd,F_GETFL,0);




2、设置文件的flags:




      fcntl(fd,F_SETFL,flags);




3、增加文件的某个flags，比如文件是阻塞的，想设置成非阻塞:




       flags = fcntl(fd,F_GETFL,0);




       flags |= O_NONBLOCK;




      fcntl(fd,F_SETFL,flags);




4、取消文件的某个flags，比如文件是非阻塞的，想设置成为阻塞:




      flags = fcntl(fd,F_GETFL,0);




      flags &= ~O_NONBLOCK;




      fcntl(fd,F_SETFL,flags);


 


7.sockaddr_in和sockaddr


struct sockaddr_in {
__uint8_t  sin_len;
sa_family_t  sin_family;
in_port_t  sin_port;
struct in_addr  sin_addr;
char        sin_zero[8];
};

     sin_family指代协议族，在socket编程中只能是AF_INET
　　sin_port存储端口号（使用网络字节顺序）
　　sin_addr存储IP地址，使用in_addr这个数据结构
　　sin_zero是为了让sockaddr与sockaddr_in两个数据结构保持大小相同而保留的空字节。
　　sin_addr按照网络字节顺序存储IP地址


　　sockaddr_in和sockaddr是并列的结构，指向sockaddr_in的结构体的指针也可以指向sockaddr的结构体，并代替它。也就是说，你可以使用sockaddr_in建立你所需要的信息,然后用进行类型转换就可以了


     bzero((char*)&mysock,sizeof(mysock));//初始化


     sockaddr_in mysock;
　　bzero((char*)&mysock,sizeof(mysock));
　　mysock.sa_family=AF_INET;
　　mysock.sin_port=htons(1234);//1234是端口号
　　mysock.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.0.1");


htons()作用是将端口号由主机字节序转换为网络字节序的整数值。(host to net)


inet_addr()作用是将一个IP字符串转化为一个网络字节序的整数值，用于sockaddr_in.sin_addr.s_addr。


inet_ntoa()作用是将一个sin_addr结构体输出成IP字符串(network to ascii)。



上面我们提到sockaddr，现在我也简单的说一下
struct sockaddr {　　unsigned short sa_family;   　　char sa_data[14]; };　　


sa_family是地址家族，一般都是“AF_xxx”的形式。通常大多用的是都是AF_INET,代表TCP/IP协议族。　　sa_data是14字节协议地址。　　


这个数据结构用做bind、connect、recvfrom、sendto等函数的参数，指明地址信息。但一般编程中并不直接针对此数据结构操作，而是使用另一个与sockaddr等价的数据结构，就是我们上面提到的sockaddr_in；




上面我们还提到了一个数据结构struct in_addr  sin_addr，这里也简单的介绍一下



typedef struct in_addr {
　　union{
　　 struct {     unsigned char s_b1,s_b2,s_b3,s_b4;  } S_un_b;
　 struct {     unsigned short s_w1,s_w2;                    } S_un_w;
　　 struct {     unsigned long S_addr;                            } S_un;


} IN_ADDR;


结构体in_addr 用来表示一个32位的IPv4地址.
　　in_addr_t 一般为 32位的unsigned long.
　　其中每8位代表一个IP地址位中的一个数值.
　　例如192.168.3.144记为0xc0a80390,其中b1 为192 ,b2 为 168, b3 为 3 , b4 为 144


8.bind（ ），listen（ ），connect（ ）


    当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。


 


     bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。


 




int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);




 


函数的三个参数分别为：const是只读型


    

  • sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
    • 

  • addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是： 
    

    

    struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};
    

    
ipv6对应的是： 
    

    

    struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};

struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
};
    

    
Unix域对应的是： 
    

    

    #define UNIX_PATH_MAX    108

struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};
    

    

    • 

  • addrlen：对应的是地址的长度。
    • 



通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。




网络字节序与主机字节序


主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：


　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。


　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。


网络字节序：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。


所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。大端小端.由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。




如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。




int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);




listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。


connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。


 


 9.Socket编程之select（ ）




　　Select在Socket编程中还是比较重要的，它能够监视我们需要监视的文件描述符的变化情况——读写或是异常。 
　　Select的函数格式(Unix系统下的伯克利socket编程，和windows下的略有区别，体现两个方面：一是select函数的第一个参数，在windows下可以忽略，但在linux下必须设为最大文件描述符加1；二是结构fd_set在两个系统里定义不一样)：




复制代码


int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *errorfds,struct timeval *timeout);

int maxfdp是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，不能错！在Windows中这个参数的值无所谓，可以设置不正确。 
　　
fd_set *readfds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的读变化的，即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了，如果这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读，如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。 
　　
fd_set *writefds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的写变化的，即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。 
　　
fd_set *errorfds同上面两个参数的意图，用来监视文件错误异常。 
　　
struct timeval* timeout是select的超时时间，这个参数至关重要，它可以使select处于三种状态：
第一，若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止；
第二，若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；
第三，timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即 select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。

返回值： 


负值：select错误


正值：某些文件可读写或出错

0：等待超时，没有可读写或错误的文件



    如果三个指针都为NULL，我们就有了一个比sleep()函数更为精确的定时器（sleep()以毫秒为最小单位，这个以微秒为单位）。


    select使用描述字集，典型地是一个整数数组，其中每个整数中的每一位对应一个描述字。假设使用32位整数，那么该数组的第一个元素对应于描述字0~31，第二个元素对应于描述字32~63，依此类推。所有的实现细节都与应用程序无关，它们隐藏在名为fd_set的数据类型和以下四个宏中：


 


void FD_ZERO (fd_set *fdset); // 清空集合


void FD_SET (int fd,fd_set *fdset); // 将一个给定的文件描述符加入集合之中


void FD_CLR (int fd,fd_set *fdset); // 将一个给定的文件描述符从集合中删除


int  FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset); // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写


 


在一个TCP套接口被设置为非阻塞之后调用connect,connect会立即返回EINPROGRESS错误,表示连接操作正在进行中,但是仍未完成;同时TCP的三路握手操作继续进行


 














        

            posted on 
2015-06-17 11:50 
cynthia116 
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