socket 编程基础

 

 

 

一、Socket简介

Socket是进程通讯的一种方式，即调用这个网络库的一些API函数实现分布在不同主机的相关进程之间的数据交换。

几个定义：

（1）IP地址：即依照TCP/IP协议分配给本地主机的网络地址，两个进程要通讯，任一进程首先要知道通讯对方的位置，即对方的IP。

（2）端口号：用来辨别本地通讯进程，一个本地的进程在通讯时均会占用一个端口号，不同的进程端口号不同，因此在通讯前必须要分配一个没有被访问的端口号。

（3）连接：指两个进程间的通讯链路。

（4）半相关：网络中用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程：

（协议，本地地址，本地端口号）

这样一个三元组，叫做一个半相关,它指定连接的每半部分。 

（4）全相关：一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议。也就是说，不可能通信的一端用TCP协议，而另一端用UDP协议。因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识：

（协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号）

这样一个五元组，叫做一个相关（association），即两个协议相同的半相关才能组合成一个合适的相关，或完全指定组成一连接。

 

二、客户/服务器模式

在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器（Client/Server, C/S）模式，即客户向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。客户/服务器模式的建立基于以下两点：

（1）首先，建立网络的起因是网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等，需要共享，从而造就拥有众多资源的主机提供服务，资源较少的客户请求服务这一非对等作用。

（2）其次，网间进程通信完全是异步的，相互通信的进程间既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区，因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系，为二者的数据交换提供同步，这就是基于客户/服务器模式的TCP/IP。

服务器端：

其过程是首先服务器方要先启动，并根据请求提供相应服务：

（1）打开一通信通道并告知本地主机，它愿意在某一公认地址上的某端口（如FTP的端口可能为21）接收客户请求；

（2）等待客户请求到达该端口；

（3）接收到客户端的服务请求时，处理该请求并发送应答信号。接收到并发服务请求，要激活一新进程来处理这个客户请求（如UNIX系统中用fork、exec）。新进程处理此客户请求，并不需要对其它请求作出应答。服务完成后，关闭此新进程与客户的通信链路，并终止。

（4）返回第（2）步，等待另一客户请求。

（5）关闭服务器

客户端：

（1）打开一通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口；

（2）向服务器发服务请求报文，等待并接收应答；继续提出请求......

（3）请求结束后关闭通信通道并终止。

 

从上面所描述过程可知：

（1）客户与服务器进程的作用是非对称的，因此代码不同。

（2）服务器进程一般是先启动的。只要系统运行，该服务进程一直存在，直到正常或强迫终止。

 

介绍完基础知识，下面就介绍一些API函数：

 

创建套接字──socket()

应用程序在使用套接字前，首先必须拥有一个套接字，系统调用socket()向应用程序提供创建套接字的手段，其调用格式如下：

 

SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol);

 

该调用要接收三个参数：af、type、protocol。参数af指定通信发生的区域：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中仅支持AF_INET，它是网际网区域。因此，地址族与协议族相同。参数type 描述要建立的套接字的类型。这里分三种：

（1）一是TCP流式套接字(SOCK_STREAM)提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地发送，且按发送顺序接收。内设流量控制，避免数据流超限；数据被看作是字节流，无长度限制。文件传送协议（FTP）即使用流式套接字。

（2）二是数据报式套接字(SOCK_DGRAM)提供了一个无连接服务。数据包以独立包形式被发送，不提供无错保证，数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。网络文件系统（NFS）使用数据报式套接字。

（3）三是原始式套接字(SOCK_RAW)该接口允许对较低层协议，如IP、ICMP直接访问。常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备。

参数protocol说明该套接字使用的特定协议，如果调用者不希望特别指定使用的协议，则置为0，使用默认的连接模式。根据这三个参数建立一个套接字，并将相应的资源分配给它，同时返回一个整型套接字号。因此，socket()系统调用实际上指定了相关五元组中的“协议”这一元。

 

指定本地地址──bind()

当一个套接字用socket()创建后，存在一个名字空间(地址族)，但它没有被命名。bind()将套接字地址（包括本地主机地址和本地端口地址）与所创建的套接字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。其调用格式如下：

 

int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

 

参数s是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符(套接字号)。参数name 是赋给套接字s的本地地址（名字），其长度可变，结构随通信域的不同而不同。namelen表明了name的长度。如果没有错误发生，bind()返回0。否则返回SOCKET_ERROR。

 

建立套接字连接──connect()与accept()

这两个系统调用用于完成一个完整相关的建立，其中connect()用于建立连接。accept()用于使服务器等待来自某客户进程的实际连接。

 

connect()的调用格式如下：

 

int PASCAL FAR connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

 

参数s是欲建立连接的本地套接字描述符。参数name指出说明对方套接字地址结构的指针。对方套接字地址长度由namelen说明。

 

如果没有错误发生，connect()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。在面向连接的协议中，该调用导致本地系统和外部系统之间连接实际建立。

 

由于地址族总被包含在套接字地址结构的前两个字节中，并通过socket()调用与某个协议族相关。因此bind()和connect()无须协议作为参数。

 

accept()的调用格式如下：

 

SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);

 

参数s为本地套接字描述符，在用做accept()调用的参数前应该先调用过listen()。addr 指向客户方套接字地址结构的指针，用来接收连接实体的地址。addr的确切格式由套接字创建时建立的地址族决定。addrlen 为客户方套接字地址的长度（字节数）。如果没有错误发生，accept()返回一个SOCKET类型的值，表示接收到的套接字的描述符。否则返回值INVALID_SOCKET。

 

accept()用于面向连接服务器。参数addr和addrlen存放客户方的地址信息。调用前，参数addr 指向一个初始值为空的地址结构，而addrlen 的初始值为0；调用accept()后，服务器等待从编号为s的套接字上接受客户连接请求，而连接请求是由客户方的connect()调用发出的。当有连接请求到达时，accept()调用将请求连接队列上的第一个客户方套接字地址及长度放入addr 和addrlen，并创建一个与s有相同特性的新套接字号。新的套接字可用于处理服务器并发请求。

 

四个套接字系统调用，socket()、bind()、connect()、accept()，可以完成一个完全五元相关的建立。socket()指定五元组中的协议元，它的用法与是否为客户或服务器、是否面向连接无关。bind()指定五元组中的本地二元，即本地主机地址和端口号，其用法与是否面向连接有关：在服务器方，无论是否面向连接，均要调用bind()，若采用面向连接，则可以不调用bind()，而通过connect()自动完成。若采用无连接，客户方必须使用bind()以获得一个唯一的地址。

 

监听连接──listen()

此调用用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。listen()需在accept()之前调用，其调用格式如下：

 

int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);

 

参数s标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号，服务器愿意从它上面接收请求。backlog表示请求连接队列的最大长度，用于限制排队请求的个数，目前允许的最大值为5。如果没有错误发生，listen()返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。

 

listen()在执行调用过程中可为没有调用过bind()的套接字s完成所必须的连接，并建立长度为backlog的请求连接队列。

 

调用listen()是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。它在调用socket()分配一个流套接字，且调用bind()给s赋于一个名字之后调用，而且一定要在accept()之前调用。

 

数据传输──send()与recv()

当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有send()和recv()。

send()调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上发送输出数据，格式如下：

 

int PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);

 

参数s为已连接的本地套接字描述符。buf 指向存有发送数据的缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否发送带外数据等。如果没有错误发生，send()返回总共发送的字节数。否则它返回SOCKET_ERROR。

recv()调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上接收输入数据，格式如下：

 

int PASCAL FAR recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);

 

参数s 为已连接的套接字描述符。buf指向接收输入数据缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否接收带外数据等。如果没有错误发生，recv()返回总共接收的字节数。如果连接被关闭，返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。

 

输入/输出多路复用──select()

select()调用用来检测一个或多个套接字的状态。对每一个套接字来说，这个调用可以请求读、写或错误状态方面的信息。请求给定状态的套接字集合由一个fd_set结构指示。在返回时，此结构被更新，以反映那些满足特定条件的套接字的子集，同时， select()调用返回满足条件的套接字的数目，其调用格式如下：

 

int PASCAL FAR select(int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout);

 

参数nfds指明被检查的套接字描述符的值域，此变量一般被忽略。

 

参数readfds指向要做读检测的套接字描述符集合的指针，调用者希望从中读取数据。参数writefds 指向要做写检测的套接字描述符集合的指针。exceptfds指向要检测是否出错的套接字描述符集合的指针。timeout指向select()函数等待的最大时间，如果设为NULL则为阻塞操作。select()返回包含在fd_set结构中已准备好的套接字描述符的总数目，或者是发生错误则返回SOCKET_ERROR。

 

关闭套接字──closesocket()

closesocket()关闭套接字s，并释放分配给该套接字的资源；如果s涉及一个打开的TCP连接，则该连接被释放。closesocket()的调用格式如下：

 

BOOL PASCAL FAR closesocket(SOCKET s);

 

参数s待关闭的套接字描述符。如果没有错误发生，closesocket()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。

 下面给出一个简单的 客户/服务器 范例：

客户端：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define portnum 3334
int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd;
    char buffer[128];
    /* 创建一个网络网际套接字地址结构，存放的是服务器的IP协议类型信息和IP地址，以及应用程序占据服务器的端口号 */
    struct sockaddr_in server_addr;
    
    //1. 创建套接字
    //创建网际字节流套接字
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
     {
         printf("Create socket error    !\n");
         exit(1);    
     }    
     //2.1 设置要连接的服务器地址
     //清空字段
     bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
     //填写服务器IP协议(IPv4 or IPv6 )
     server_addr.sin_family = AF_INET;
     //填写运行在服务器的应用程序在服务器中占的是哪个端口号    
     server_addr.sin_port = htons(portnum);
     //填写服务器的IP地址,通过命令行参数传递
     server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    
    //2. 连接服务器
    //通过server_addr 返回服务器的IP地址
    if((connect(sockfd, (struct sockaddr*)(&server_addr), sizeof(struct sockaddr))) == -1)
    {  
         printf("Connect error!\n");
    //     exit(1);
    }
    //3. 发送数据
    printf("Please input char :\n");
    fgets(buffer,128,stdin);
    //指明发送数据的套接字，发送数据的缓冲区，缓冲区的长度，默认值0
    send(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0);
    //4. 关闭连接
    close(sockfd);    
    return 0;
    
}

服务器端：

/*****************************
*
*
*
*
*
********************************/


#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#define portnum 3334

int main()
{
     int sockfd,new_sockfd;
     //建立一个服务器网际套接字地址结构，存放服务器的IP协议信息和IP地址，以及应用程序占据服务器的端口号
     struct sockaddr_in server_addr;
     //建立一个客户机网际套接字地址结构，存放客户机的IP协议信息和IP地址，以及应用程序占据服务器的端口号
     struct sockaddr_in client_addr;
     
     char buffer[128]; 
     int nbytes;
     int sin_size;
     
     //1.创建套接字
     /* 选择协议，这里使用IPv4 的TCP */
     if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
     {
         printf("Create socket error    !\n");
         exit(1);    
     }
     
     
     //2.1 设置要绑定的地址
     //清空字段
     bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
     //填写服务器IP协议类型
     server_addr.sin_family = AF_INET;
     //填写应用程序占据服务器的端口号    
     server_addr.sin_port = htons(portnum);
     //填写服务器32位 IP地址，INADDR_ANY 表示可以绑定任意一个地址
     server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 
        
     //2.2绑定地址，将一个本地协议地址赋予一个套接字
     //假设服务器有多个网卡，每个网卡都有一个地址，bind()指明这个套接字使用的是服务器的哪个IP地址
     bind(sockfd, (struct sockaddr*)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr));   
       
     //3.监听端口
     //告诉系统服务器准备好接受请求，第二个参数指明可以接受的连接数，根据服务器的处理能力决定
     listen(sockfd,5);
     
     while(1)
     {
         //4.等待连接
         sin_size = sizeof(struct sockaddr);
         //当没有客户机连接时阻塞，当客户机连接后返回。返回三个参数，new_sockfd 是新的套接字描述符，第二个参数返回客户机的IP地址，第三个是客户机IP地址的长度
         new_sockfd = accept(sockfd,(struct sockaddr_in*)(&client_addr),&sin_size);
         
         printf("Server get connetion from :%s \n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
         
         //5.接受数据
         //指明接受数据的套接字，存放的缓冲区
         nbytes = recv(new_sockfd, buffer,128,0);
         buffer[nbytes] = '\0'; 
         printf("Server recieve bytes :%s \n",buffer);
         //6.结束连接    
         close(new_sockfd);
   
     }
     close(sockfd);     
     return 0;

}

 

 

事实上，Linux 的网络编程就是围绕着socket进行的，因为socket 就是TCP/IP 协议和用户程序之间的一个抽象层。用户想要用某个协议与其他计算机通信，只有通过这个抽象层，调用socket API函数以可以完成网络通信。具体的协议实现由内核实现（比如数据协议头的添加和解除等等协议实现细节是由内核完成的）。比如 A 主机的应用程序 app1  想要往 B 主机的 app2  发送一个请求消息，那么app1 要做的就是建立自己的套接字，并且把目标机设定好，然后就把数据交给内核。内核得到这个数据以后，经过层层的打包，最终得到一个以太网包，并交给驱动程序发出去。