socket基础知识

socket 基础知识

概述

socket 是 TCP/IP 协议的最流行的一种网络编程接口。它与 TCP/IP 一起最早实现于 4.1BSD UNIX 系统中，主要用于传送级（ TCP,UDP ）编程。

socket 往往称为套接口，套接口用于网络中两个通信实体间的通信，两个实体可以存在于同一机器的不同进程中或不同机器的进程中。

套接口就好像 UNIX 中 pipe （管道），通信双方进程通过它来与对方发送或接受数据。如同 pipe 用文件描述字表示一样， socket 也用文件描述字表示，也称为套接口描述字，或简称套接字。在网络编程时要用套接字表示通信的对方。但两者不同的是， pipe 的通信双方在一台机器上，共用一个 pipe ，双方使用不同的文件描述字；而 socket 通信双方一般在不同机器上，因而通信双方均有一 socket 和对应的套接字负责通信，当然他们之间必须连接起来。

网络中每个通信实体的 socket 是用一个三元组标识的。三元组指的是：协议族（地址族），网络地址、和传输层端口 （本文目前只介绍 Ipv4 ）。通信双方的一个连接是用网络五元组来标识的，它是由双方相同协议族的两个本地三元组合成的。网络五元组指的是：协议族（地址族）、本地网络地址、本地端口、远程网络地址和远程端口。 上述五元组往往称为全相关。而三元组往往称为半相关

套接口分为若干类型，常用的是 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM 。 SOCK_STREAM 是面向连接的套接字，使用的协议是 TCP ，通信的双方通过三次握手建立起虚拟的连接线路，通信的过程是可靠的。而 SOCK_DGRAM 是面向非连接的套接字，使用的协议是 UDP ，通信双方以数据包的方式进行通信，通信的可靠性就不能得到保证。本项目要求采用 SOCK_STREAM 类型。

 

客户机 / 服务器计算模式

　　在 TCP/IP 网络应用中 , 通信双方相互作用采用客户 / 服务器模式 , 即客户端向服务器发出请求 , 服务器接收到请求后提供相应的服务。一种常见的面向连接的运行方式如下：

服务器方（首先启动）：

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端口上 ( 周知口，如 http 为 80) 接受客户请求。

2. 等待客户请求到达该端口。

3. 接收并处理该请求，发送处理结果。如果是并发服务器，则要建立（ fork ）一新的子进程来处理这个客户请求。服务完成后，关闭这个新进程与客户的通信连接，并终止该进程。

4. 返回第二步，等待下一个客户请求。

客户方 :

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 ．如服务器接受了这个连接，则向它发出服务请求报文，等待并接收应答；

3. 请求结束后关闭通信通道。

 

从上面的运行过程可知：

1 ．客户与服务器进程的作用是非对称的。

2. 服务进程一般是先于客户请求启动的。只要系统运行，该进程一直存在，直到正常终止或者强迫终止。

 

五元组格式（协议，本地 IP ，本地端口，远方 IP ，远方端口）的建立过程

服务器一般都有两个功能：监听 和 处理

在监听的时候，协议 / 本地 IP/ 本地端口（监听端口）都是确定的，当收到客户端的报文时，远方 IP 就是报文的源 IP 地址，远方端口就是报文的源端口，这样一来五元组就确定了。

然后服务器进入处理阶段，需要开启一个新的线程与客户端交互，当然就需要确定一个新的五元组，这时候协议 / 本地 IP/ 远方 IP/ 远方端口都来自监听阶段确定的五元组，而本地端口会在 1024 以上随机选取 （不再使用监听端口，以便监听其他客户端的请求）。

客户端的话正好相反，在发送请求时采用随机的本地端口 ，而接受响应时采用服务器的源端口作为远方端口。

 

系统调用

1.  创建套接字

#include <sys/types.h>;

#include <sys/socket.h>;

int socket(int family, int type, int protocol);

这是进行套接字通信的第一步，就是创建套接口。参数 family 表示所使用的协议族。参数 type 可以是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM 。 SOCK_STREAM 是指面向连接的通信，而 SOCK_DGRAM 是面向非连接的数据报方式。参数 protocol 描述的是协议种类，一般设为 0 。

Socket 函数用于建立三元组中的协议族部分 。

此系统调用如果成功就返回的是套接字，以后的所有的对此套接口的操作都需引用这个描述字。如果调用失败，就返回 -1 ，并在全局变量 errno 保存错误的类型。

2. 绑定套接字

#include <sys/types.h>;

#include <sys/socket.h>;

int bind(int sockfd, cost struct sockaddr * saddr,  socklen_t addrlen);

bind( ) 系统调用的作用是将由 socket( ) 所创建的套接字和地址结构 sockaddr 的一个实例相关联，其中含有本地的信息如 IP 地址、端口号。

bind 函数用于建立三元组中的本地 IP 地址和本地端口号部分。

参数 sockfd 是在此前用 socket 系统调用创建的套接字， sa 是指向结构 sockaddr 一个实例的指针。这个实例的类型一般是 sockaddr_in ，在调用时需要进行强制转换（ struct sockaddr * ） &saddr （其中 saddr 是 sockaddr_in 类型）。参数 addrlen 是结构 sockaddr 的大小即 sizeof （ struct sockaddr ）。其中套接字的地址和端口可以在程序中指定，也可以由系统分配。

3. 监听

#include <sys/socket.h>;

int listen( int sockfd, int backlog ) ；

用 TCP 进行网络通信，服务器端要经历几个状态，当调用 socket( ) 和 bind( ) 后，虽然套接字已经建立起来，但是其状态是 CLOSED 即关闭状态。要进行通信就必须将套接字打开。对于服务器端来说要被动打开，这就是 listen( ) 的功能。

下面就可以用 accept( ) 和 connect() 建立连接。这个过程其实就是 TCP 的“三次握手”。

4. 接受连接

#include <sys/socket.h>;

int accept( int sockfd, struct sockaddr * client_addr, socklen_t *addrlen);

服务器调用 accept( ) 来接受连接。当客户与服务器连接（ connect ）并且连接成功（三次握手）后 accept 则返回另一个套接字。这个新创建的套接字称为“连接套接字 ”。服务器利用这个套接字来传输数据。而前面用 socket( ) 调用产生的套接字则称之为“监听套接字”，这个套接字专门监听来自客户端的请求。

参数 sockfd 是由 socket( ) 创建的连接套接字。 client_addr 是指向结构 sockaddr 的一个实例的指针，在返回时用来存放请求连接的客户端的 IP 地址、端口信息。参数 addrlen 存放结构 * client_addr 的大小。

access 完成后通信双方两个三元组组成的五元组就建立起来了。

5. 连接服务器

#include <sys/types.h>;

#include <sys/socket.h>;

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr,  socklen_t addrlen);

客户端使用这个系统调用来连接目的主机（服务器）的指定端口，以便和目的主机 ( 在 access 中等待 ) 进行通信。

sockfd 是客户机的系统调用 socket() 返回的套接字。 serv_addr 指向目的地 ( 服务器）端口和 IP 地址的数据结构 struct sockaddr 。 addrlen 设置为 sizeof(struct sockaddr) 。

connect 完成后通信双方两个三元组组成的五元组就建立起来了。