socket编程简介(强烈推荐)




前言

  本篇文章摘抄于网络,放在自己的博客只是为了方便查看和记忆。现在CSDN已经有手机客户端了,无聊的时候拿起手机,看看这些大神写的文章总比看电视剧好。希望原创的大神勿怪,一些好的文章总是使人茅塞顿开,受益匪浅,不由得使人想记录之,然后时刻阅读和学习。原文地址:http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7445768/

1、socket编程流程

  socket编程的总体流程如下图所示。 服务器端先初始化Socket,然后与端口绑定(bind),对端口进行监听(listen),调用accept阻塞,等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket,然后连接服务器(connect),如果连接成功,这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求,服务器端接收请求并处理请求,然后把回应数据发送给客户端,客户端读取数据,最后关闭连接,一次交互结束。
  这里写图片描述

2、相关函数介绍

 2.1 socket函数

  int socket(int protofamily, int type, int protocol);
  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。这个socket描述字跟文件描述字一样,后续的操作都有用到它,把它作为参数,通过它来进行一些读写操作。
  正如可以给fopen的传入不同参数值,以打开不同的文件。创建socket的时候,也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符,socket函数的三个参数分别为:
  protofamily:即协议域,又称为协议族(family)。常用的协议族有,AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL(或称AF_UNIX,Unix域socket)、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型,在通信中必须采用对应的地址,如AF_INET决定了要用ipv4地址(32位的)与端口号(16位的)的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
  type:指定socket类型。常用的socket类型有,SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等(socket的类型有哪些?)。
  protocol:故名思意,就是指定协议。常用的协议有,IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等,它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议(这个协议我将会单独开篇讨论!)。
  注意:并不是上面的type和protocol可以随意组合的,如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时,会自动选择type类型对应的默认协议。
  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。

 2.2 bind()函数

  正如上面所说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:
  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。

  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 */ 
    };
  
  
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  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。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。

 2.3 listen()、connect()函数

  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);
  
  
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  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。  

 2.4 accept()函数

  TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后,就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后,就会调用accept()函数取接收请求,这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了,即类同于普通文件的读写I/O操作。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd
参数sockfd
  参数sockfd就是上面解释中的监听套接字,这个套接字用来监听一个端口,当有一个客户与服务器连接时,它使用这个一个端口号,而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节,它只知道一个地址和一个端口号。
参数addr
  这是一个结果参数,它用来接受一个返回值,这返回值指定客户端的地址,当然这个地址是通过某个地址结构来描述的,用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣,那么可以把这个值设置为NULL。
参数len
  如同大家所认为的,它也是结果的参数,用来接受上述addr的结构的大小的,它指明addr结构所占有的字节个数。同样的,它也可以被设置为NULL。
  如果accept成功返回,则服务器与客户已经正确建立连接了,此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。
  注意:
  accept默认会阻塞进程,直到有一个客户连接建立后返回,它返回的是一个新可用的套接字,这个套接字是连接套接字。此时我们需要区分两种套接字,
  监听套接字: 监听套接字正如accept的参数sockfd,它是监听套接字,在调用listen函数之后,是服务器开始调用socket()函数生成的,称为监听socket描述字(监听套接字)
  连接套接字:一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字;而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字),它代表着一个网络已经存在的点点连接。
  一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字,它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字,当服务器完成了对某个客户的服务,相应的已连接socket描述字就被关闭。
  自然要问的是:为什么要有两种套接字?原因很简单,如果使用一个描述字的话,那么它的功能太多,使得使用很不直观,同时在内核确实产生了一个这样的新的描述字。连接套接字socketfd_new 并没有占用新的端口与客户端通信,依然使用的是与监听套接字socketfd一样的端口号。

 2.5 read()、write()等函数

  万事具备只欠东风,至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了,即实现了网咯中不同进程之间的通信!网络I/O操作有下面几组:

    read()/write()
    recv()/send()
    readv()/writev()
    recvmsg()/sendmsg()
    recvfrom()/sendto()
  
  
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  我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数,这两个函数是最通用的I/O函数,实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下:

       #include <unistd.h>
       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
       #include <sys/types.h>
       #include <sys/socket.h>
       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
       ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
  
  
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  read函数是负责从fd中读取内容。当读成功时,read返回实际所读的字节数,如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了,小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的,如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。
  write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd,成功时返回写的字节数,失败时返回-1,并设置errno变量。 在网络程序中,当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0,表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0,此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。
  其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了,具体参见man文档或者baidu、Google,下面的例子中将使用到send/recv。

 2.6 close()函数

  在服务器与客户端建立连接之后,会进行一些读写操作,完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字,好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);
  
  
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  close一个TCP socket的缺省行为是把该socket标记为以关闭,然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用,也就是说不能再作为read或write的第一个参数。
  注意:close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1,只有当引用计数为0的时候,才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

3、Socket中TCP的建立(三次握手)

  TCP协议通过三个报文段完成连接的建立,这个过程称为三次握手(three-way handshake),过程如下图所示。
  第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认;SYN:同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。
  第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;
  第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。
  一个完整的三次握手也就是: 请求—应答—再次确认。对应的函数接口:
  这里写图片描述
  从图中可以看出,当客户端调用connect时,触发了连接请求,向服务器发送了SYN J包,这时connect进入阻塞状态;服务器监听到连接请求,即收到SYN J包,调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ,ACK J+1,这时accept进入阻塞状态;客户端收到服务器的SYN K ,ACK J+1之后,这时connect返回,并对SYN K进行确认;服务器收到ACK K+1时,accept返回,至此三次握手完毕,连接建立。
  我们可以通过网络抓包的查看具体的流程。比如我们服务器开启9502的端口。使用tcpdump来抓包:tcpdump -iany tcp port 9502。
  然后我们使用telnet 127.0.0.1 9502开连接。
这里写图片描述

114:12:45.104687 时间带有精确到微妙
localhost.39870 > localhost.9502 表示通信的流向,39870是客户端,9502是服务器端
[S] 表示这是一个SYN请求
[S.] 表示这是一个SYN+ACK确认包: 
[.] 表示这是一个ACT确认包, (client)SYN->(server)SYN->(client)ACT 就是3次握手过程
[P] 表示这个是一个数据推送,可以是从服务器端向客户端推送,也可以从客户端向服务器端推
[F] 表示这是一个FIN包,是关闭连接操作,client/server都有可能发起
[R] 表示这是一个RST包,与F包作用相同,但RST表示连接关闭时,仍然有数据未被处理。可以理解为是强制切断连接
win 4099 是指滑动窗口大小
length 18指数据包的大小

  
  
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我们看到 (1)(2)(3)三步是建立tcp:
第一次握手:
14:12:45.104687 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [S], seq 2927179378
客户端IP localhost.39870 (客户端的端口一般是自动分配的) 向服务器localhost.9502 发送syn包(syn=j)到服务器》
syn包(syn=j) : syn的seq= 2927179378 (j=2927179378)

第二次握手:
14:12:45.104701 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [S.], seq 1721825043, ack 2927179379,
收到请求并确认:服务器收到syn包,并必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包:
此时服务器主机自己的SYN:seq:y= syn seq 1721825043。
ACK为j+1 =(ack=j+1)=ack 2927179379

第三次握手:
14:12:45.104711 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 1,
客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)

客户端和服务器进入ESTABLISHED状态后,可以进行通信数据交互。此时和accept接口没有关系,即使没有accept,也进行3次握手完成。连接出现连接不上的问题,一般是网路出现问题或者网卡超负荷或者是连接数已经满啦。

紫色背景的部分:
这里写图片描述
这个就是tcp可靠的连接,每次通信都需要对方来确认。

4、TCP连接的终止(四次挥手)

  建立一个连接需要三次握手,而终止一个连接要经过四次握手,这是由TCP的半关闭(half-close)造成的,如图:
  这里写图片描述
  由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。
  (1)客户端A发送一个FIN,用来关闭客户A到服务器B的数据传送(报文段4)。
  (2)服务器B收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。
  (3)服务器B关闭与客户端A的连接,发送一个FIN给客户端A(报文段6)。
  (4)客户端A发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。
  对应函数接口如图:
  这里写图片描述
过程如下:
1.某个应用进程首先调用close主动关闭连接,这时TCP发送一个FIN M;
2.另一端接收到FIN M之后,执行被动关闭,对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程,因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据;
3.一段时间之后,接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N;
4.接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。
这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

  为什么建立连接协议是三次握手,而关闭连接却是四次握手呢?
  这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后,它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用,而SYN起同步作用)放在一个报文里来发送。但关闭连接时,当收到对方的FIN报文通知时,它仅仅表示对方没有数据发送给你了;但未必你所有的数据都全部发送给对方了,所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后,再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了,所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。
  
  为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态?
  这是因为虽然双方都同意关闭连接了,而且握手的4个报文也都协调和发送完毕,按理可以直接回到CLOSED状态(就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样);但是因为我们必须要假想网络是不可靠的,你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到,因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文,而重发FIN报文,所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

5、Socket编程实例

  服务器端:
  一直监听本机的8000号端口,如果收到连接请求,将接收请求并接收客户端发来的消息,并向客户端返回消息。

    /* File Name: server.c */  
    #include<stdio.h>  
    #include<stdlib.h>  
    #include<string.h>  
    #include<errno.h>  
    #include<sys/types.h>  
    #include<sys/socket.h>  
    #include<netinet/in.h>  
    #define DEFAULT_PORT 8000  
    #define MAXLINE 4096  
    int main(int argc, char** argv)  
    {  
        int    socket_fd, connect_fd;  
        struct sockaddr_in     servaddr;  
        char    buff[4096];  
        int     n;  
        //初始化Socket  
        if( (socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){  
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
        exit(0);  
        }  
        //初始化  
        memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));  
        servaddr.sin_family = AF_INET;  
        servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//IP地址设置成INADDR_ANY,让系统自动获取本机的IP地址。  
        servaddr.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);//设置的端口为DEFAULT_PORT  

        //将本地地址绑定到所创建的套接字上  
        if( bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){  
        printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
        exit(0);  
        }  
        //开始监听是否有客户端连接  
        if( listen(socket_fd, 10) == -1){  
        printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
        exit(0);  
        }  
        printf("======waiting for client's request======\n");  
        while(1){  
    //阻塞直到有客户端连接,不然多浪费CPU资源。  
            if( (connect_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){  
            printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);  
            continue;  
        }  
    //接受客户端传过来的数据  
        n = recv(connect_fd, buff, MAXLINE, 0);  
    //向客户端发送回应数据  
        if(!fork()){ /*紫禁城*/  
            if(send(connect_fd, "Hello,you are connected!\n", 26,0) == -1)  
            perror("send error");  
            close(connect_fd);  
            exit(0);  
        }  
        buff[n] = '\0';  
        printf("recv msg from client: %s\n", buff);  
        close(connect_fd);  
        }  
        close(socket_fd);  
    }  
  
  
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客户端:

    /* File Name: client.c */  

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

    #define MAXLINE 4096  


    int main(int argc, char** argv)  
    {  
        int    sockfd, n,rec_len;  
        char    recvline[4096], sendline[4096];  
        char    buf[MAXLINE];  
        struct sockaddr_in    servaddr;  


        if( argc != 2){  
        printf("usage: ./client <ipaddress>\n");  
        exit(0);  
        }  


        if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){  
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno);  
        exit(0);  
        }  


        memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));  
        servaddr.sin_family = AF_INET;  
        servaddr.sin_port = htons(8000);  
        if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){  
        printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);  
        exit(0);  
        }  


        if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){  
        printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
        exit(0);  
        }  


        printf("send msg to server: \n");  
        fgets(sendline, 4096, stdin);  
        if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)  
        {  
        printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);  
        exit(0);  
        }  
        if((rec_len = recv(sockfd, buf, MAXLINE,0)) == -1) {  
           perror("recv error");  
           exit(1);  
        }  
        buf[rec_len]  = '\0';  
        printf("Received : %s ",buf);  
        close(sockfd);  
        exit(0);  
    }  
  
  
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  inet_pton 是Linux下IP地址转换函数,可以在将IP地址在“点分十进制”和“整数”之间转换 ,是inet_addr的扩展。

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);//转换字符串到网络地址:  
  
  
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