Socket原理

“一切皆Socket！”话虽些许夸张。可是事实也是，如今的网络编程差点儿都是用的socket。——有感于实际编程和开源项目研究。

我们深谙信息交流的价值，那网络中进程之间怎样通信，如我们每天打开浏览器浏览网页时，浏览器的进程怎么与webserver通信的？当你用QQ聊天时，QQ进程怎么与server或你好友所在的QQ进程通信？这些都得靠socket？那什么是socket？socket的类型有哪些？还有socket的基本函数。这些都是本文想介绍的。

本文的主要内容例如以下：

• 1、网络中进程之间怎样通信？
• 2、Socket是什么？
• 3、socket的基本操作
  • 3.1、socket()函数
  • 3.2、bind()函数
  • 3.3、listen()、connect()函数
  • 3.4、accept()函数
  • 3.5、read()、write()函数等
  • 3.6、close()函数
• 4、socket中TCP的三次握手建立连接具体解释
• 5、socket中TCP的四次握手释放连接具体解释
• 6、一个样例（实践一下）
• 7、留下一个问题。欢迎大家回帖回答。！

  ！

1、网络中进程之间怎样通信？

本地的进程间通信（IPC）有非常多种方式。但能够总结为以下4类：

• 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
• 同步（相互排斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
• 共享内存（匿名的和具名的）
• 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）

但这些都不是本文的主题！我们要讨论的是网络中进程之间怎样通信？首要解决的问题是怎样唯一标识一个进程，否则通信无从谈起。在本地能够通过进程PID来唯一标识一个进程，可是在网络中这是行不通的。事实上TCP/IP协议族已经帮我们攻克了这个问题，网络层的“ip地址”能够唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+port”能够唯一标识主机中的应用程序（进程）。

这样利用三元组（ip地址，协议。port）就能够标识网络的进程了，网络中的进程通信就能够利用这个标志与其他进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常採用应用编程接口：UNIX  BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰）。来实现网络进程之间的通信。

就眼下而言，差点儿全部的应用程序都是採用socket。而如今又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。

2、什么是Socket？

上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？socket起源于Unix。而Unix/Linux基本哲学之中的一个就是“一切皆文件”，都能够用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。

我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）。这些函数我们在后面进行介绍。

socket一词的起源

在组网领域的首次使用是在1970年2月12日公布的文献IETF RFC33中发现的。撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。

依据美国计算机历史博物馆的记载，Croker写道：“命名空间的元素都可称为套接字接口。

一个套接字接口构成一个连接的一端。而一个连接可全然由一对套接字接口规定。”计算机历史博物馆补充道：“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。

”

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作相应的函数接口。以下以TCP为例，介绍几个主要的socket接口函数。

3.1、socket()函数

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

socket函数相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写叙述字，而socket()用于创建一个socket描写叙述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。

这个socket描写叙述字跟文件描写叙述字一样，兴许的操作都实用到它，把它作为參数。通过它来进行一些读写操作。

正如能够给fopen的传入不同參数值，以打开不同的文件。

创建socket的时候，也能够指定不同的參数创建不同的socket描写叙述符。socket函数的三个參数分别为：

• domain：即协议域，又称为协议族（family）。经常使用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、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，在通信中必须採用相应的地址。如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与port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。经常使用的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。经常使用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别相应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：并非上面的type和protocol能够任意组合的，如SOCK_STREAM不能够跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自己主动选择type类型相应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描写叙述字它存在于协议族（address family。AF_XXX）空间中，但没有一个详细的地址。假设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()时系统会自己主动随机分配一个port。

3.2、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。比如相应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和port号组合赋给socket。

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

函数的三个參数分别为：

• sockfd：即socket描写叙述字，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写叙述字绑定一个名字。

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

  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相应的是： 
  

  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域相应的是： 
  

  #define UNIX_PATH_MAX    108
  
  struct sockaddr_un { 
      sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
      char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
  };

• addrlen：相应的是地址的长度。

通常server在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+port号）。用于提供服务。客户就能够通过它来接连server；而client就不用指定，有系统自己主动分配一个port号和自身的ip地址组合。

这就是为什么通常server端在listen之前会调用bind()。而client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寻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的定义例如以下：

　　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值以以下的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit。然后16～23bit。最后是24~31bit。

这样的传输次序称作大端字节序。

因为TCP/IP首部中全部的二进制整数在网络中传输时都要求以这样的次序，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。因为这个问题曾引发过血案！公司项目代码中因为存在这个问题，导致了非常多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做不论什么假定。务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

3.3、listen()、connect()函数

假设作为一个server。在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，假设client这时调用connect()发出连接请求，server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函数的第一个參数即为要监听的socket描写叙述字，第二个參数为对应socket能够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函数的第一个參数即为client的socket描写叙述字，第二參数为server的socket地址，第三个參数为socket地址的长度。client通过调用connect函数来建立与TCPserver的连接。

3.4、accept()函数

TCPserver端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。

TCPclient依次调用socket()、connect()之后就想TCPserver发送了一个连接请求。

TCPserver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。之后就能够開始网络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函数的第一个參数为server的socket描写叙述字。第二个參数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回client的协议地址，第三个參数为协议地址的长度。假设accpet成功。那么其返回值是由内核自己主动生成的一个全新的描写叙述字，代表与返回客户的TCP连接。

注意：accept的第一个參数为server的socket描写叙述字，是server開始调用socket()函数生成的，称为监听socket描写叙述字；而accept函数返回的是已连接的socket描写叙述字。一个server通常通常只只创建一个监听socket描写叙述字。它在该server的生命周期内一直存在。内核为每一个由server进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描写叙述字，当server完毕了对某个客户的服务，对应的已连接socket描写叙述字就被关闭。

3.5、read()、write()等函数

万事具备仅仅欠东风，至此server与客户已经建立好连接了。能够调用网络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操作有以下几组：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数。实际上能够把上面的其他函数都替换成这两个函数。它们的声明例如以下：

       #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);

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，假设返回的值是0表示已经读到文件的结束了。小于0表示出现了错误。

假设错误为EINTR说明读是由中断引起的。假设是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写叙述符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写叙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所有的数据。2)返回的值小于0。此时出现了错误。我们要依据错误类型来处理。假设错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。假设为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

其他的我就不一一介绍这几对I/O函数了。详细參见man文档或者baidu、Google。以下的样例中将使用到send/recv。

3.6、close()函数

在server与client建立连接之后，会进行一些读写操作，完毕了读写操作就要关闭对应的socket描写叙述字，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);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后马上返回到调用进程。

该描写叙述字不能再由调用进程使用。也就是说不能再作为read或write的第一个參数。

注意：close操作仅仅是使对应socket描写叙述字的引用计数-1。仅仅有当引用计数为0的时候，才会触发TCPclient向server发送终止连接请求。

4、socket中TCP的三次握手建立连接具体解释

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”。即交换三个分组。大致流程例如以下：

• client向server发送一个SYN J
• server向client响应一个SYN K。并对SYN J进行确认ACK J+1
• client再想server发一个确认ACK K+1

仅仅有就完了三次握手，可是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

图1、socket中发送的TCP三次握手

从图中能够看出，当client调用connect时。触发了连接请求，向server发送了SYN J包，这时connect进入堵塞状态；server监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向client发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入堵塞状态；client收到server的SYN K ，ACK J+1之后。这时connect返回。并对SYN K进行确认。server收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完成，连接建立。

总结：client的connect在三次握手的第二个次返回，而server端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手释放连接具体解释

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。如今我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程。请看下图：

图2、socket中发送的TCP四次握手

图示步骤例如以下：

• 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。
• 还有一端接收到FIN M之后，运行被动关闭。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，由于FIN的接收意味着应用进程在对应的连接上再也接收不到额外数据。

• 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。
• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每一个方向上都有一个FIN和ACK。

6、一个样例（实践一下）

说了这么多了，动手实践一下。以下编写一个简单的server、client（使用TCP）——server端一直监听本机的6666号port，假设收到连接请求，将接收请求并接收client发来的消息。client与server端建立连接并发送一条消息。

server端代码：

#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    listenfd, connfd;
    struct sockaddr_in     servaddr;
    char    buff[4096];
    int     n;

    if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){
    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_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(6666);

    if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
    printf("bind socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    if( listen(listenfd, 10) == -1){
    printf("listen socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    printf("======waiting for client's request======/n");
    while(1){
    if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){
        printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);
        continue;
    }
    n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);
    buff[n] = '/0';
    printf("recv msg from client: %s/n", buff);
    close(connfd);
    }

    close(listenfd);
}

client代码：

#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;
    char    recvline[4096], sendline[4096];
    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(6666);
    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);
    }

    close(sockfd);
    exit(0);
}

当然上面的代码非常easy。也有非常多缺点，这就仅仅是简单的演示socket的基本函数使用。事实上无论有多复杂的网络程序。都使用的这些基本函数。

上面的server使用的是迭代模式的，即仅仅有处理完一个client请求才会去处理下一个client的请求，这种server处理能力是非常弱的，现实中的server都须要有并发处理能力！为了须要并发处理，server须要fork()一个新的进程或者线程去处理请求等。

7、动动手

留下一个问题，欢迎大家回帖回答！

！！

是否熟悉Linux下网络编程？如熟悉。编写例如以下程序完毕例如以下功能：

server端：

接收地址192.168.100.2的client信息，如信息为“Client Query”，则打印“Receive Query”

client：

向地址192.168.100.168的server端顺序发送信息“Client Query test”，“Cleint Query”，“Client Query Quit”，然后退出。

题目中出现的ip地址能够依据实际情况定。

——本文仅仅是介绍了简单的socket编程。

更为复杂的须要自己继续深入。