Socket通讯编程

此随笔是站在巨人的肩膀上总结的!

 

1)socket的概念

  Socket也称‘套接字’,用于描述IP地址和端口,是一个通讯链的句柄,可以用来实现不同虚拟机或不同计算机之间的通信。网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换,这个连接的一端称为一个Socket。建立网络通信连接至少是要一对端口号(Socket)。

  Socket本质是编程接口,是对TCP/IP的封装。Socket编程接口——程序员进行网络开发所用接口。比喻一番:如果说HTTP是轿车,提供了封装或者显示数据的具体形式;那么Socket是发动机,提供了网络通信的能力。

  那么Socket跟TCP/IP协议之间是怎么个关系呢?先来看看下面那张图:

  

                    图一

2)Socket起了什么作用?

   Socket是应用层与TCP/IP协议族(包括运输层、网络层、链路层)通信的中间软件抽象层,它是一组接口。在设计模式中,Socket其实就是一个门面模式,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让Socket去组织数据,以符合指定的协议。

 

3)Socket编程的工作原理

  举个生活中的场景: 你要打电话给一个朋友,先拨号,朋友听到电话铃声后提起电话,这时你和你的朋友就建立起了连接,就可以讲话了。等交流结束,挂断电话结束此次交谈。这个场景跟Socket原理极为一致:

  Socket编程原理:服务器端先初始化Socket -> 与端口绑定(bind) -> 对端口进行监听(listen) -> 调用accept阻塞,创建通信的Socket对象,等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket,就进行服务器(connect)连接,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(如图二)。

  

                 图二

  正如我们刚才举的通电话的场景,其实我们生活中的很多方面都是通过Socket进行通信的,如我们上网浏览网页,QQ微信聊天这些,凡是涉及到网络通信的,几乎都可以说是通过Socket进行的。这也正是TCP/IP协议以及Socket接口的重要性的原因。

 

4)Socket的基本函数

a、socket()函数

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

  socket函数对应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子,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函数传入不同的参数值,以打开不同的文件。创建socket的时候,也可以指定不用的参数创建不同的socket描述符:

  参数1:domain:协议域,又称协议族,常用的协议族有,AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL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。

  参数2: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(有兴趣的可以单独去了解了解这些类型的含义)

  参数3:protocol: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。

type和protocol不可随意组合,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描述字存在于协议族空间中,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。

 

b、bind()函数

  正如上面所说的:bind()把一个地址族中的特定地址赋给socket,例如对应AF_INET就是把一个ipv4地址和端口号组合赋给socket。

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

  参数1:sockfd:socket描述字,它是通过socket()创建了,唯一标识一个socket。bind()就是给这个描述字绑定一个名字。

  参数2: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。

  参数3:addrlen:对应的是地址的长度。

 

  注意: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。

 

c、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函数的参数:

  参数1:即为要监听的socket描述字:;

  参数2: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()将socket变为被动类型的,等待客户的连接请求。

 

  connect()的参数:

  参数1:即为客户端的socket描述字;

  参数2:服务器的socket地址;

  参数3: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。

 

d、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()函数获取接收请求,连接建立。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);

 

  accept()参数:

  参数1:服务器的socket描述字

  参数2:指向struct sockaddr *的指针,用于返回客户端的协议地址。

  参数3:协议地址的长度。

  如果accept成功,那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字,代表着和返回的客户的TCP连接。

  注意:accept的第一个参数为服务器的socket描述字,是服务器开始调用socket()函数生成的,称为监听socket描述字;而accept函数返回的是已连接的socket描述字。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。

 

e、read()、write()函数

  到此,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--即实现了网络中不同进程之间的通信了。

  网络I/O操作有几组,包括read()/write()函数、recvmsg()/sendmsg()函数等等,

  ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

  ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

  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)。

 

  recvmsg()/sendmsg()函数是最通用的I/O函数,实际上可以将其他函数都替换成这两个函数。

  ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

  ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

  

f、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关闭打开的文件一样。

  int close(int fd);

  close一个TCP socket的缺省行为时把该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。

 

 

5)Socket中TCP三次握手建立连接流程:

   

            图三

 

 过程:

  1)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;

  2)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;

  3)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;

  4)服务器收到ACK K+1时,accept返回,至此三次握手完毕,连接建立。

 

6)socket中TCP的四次握手释放连接流程:

  

               图 4

过程:

  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)服务器端接收到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。  

 

 

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转载自www.cnblogs.com/yangrongkuan/p/11986366.html