Socket编程之简单介绍
2013-03-19 15:27 by 蓝天下的雨, 878 阅读, 2 评论, 收藏, 编辑一：套接字编程相关知识点
Socket概念：套接字是一种通信机制，凭借这种机制，客户/服务器系统的开发工作既可以在本地单机进行，也可以跨网络进行。
网络中的进程是通过socket来通信的。socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“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）。
Socket基本操作：
Socket编程的基本函数有:
socket(),bind(),accept(),send(),sendto(),recv()以及recvfrom()等，其中根据客户端还是服务器端，或者根据使用TCP还是UDP，这些函数的调用流程都有所区别，下面对每个函数进行说明。
Socket()函数：
int socket(int domain, 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。
参数的意思：
domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，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：流式套接字，提供可靠的、面向连接的通信流；它使用TCP，从而保证了数据传输的可靠性和顺序性。
SOCK_DGRAM：数据报套接字，定义了一种无可靠、面向无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠，无差错的。它使用UDP。
SOCK_RAW：原始套接字，允许对底层协议，如IP或ICMP进行直接访问，功能比较强大，但是使用较为不便，主要用于一些协议的开发。
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。
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。
Bind()函数：
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
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。
函数参数：
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：是一个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，如ipv4对应的如下所示：
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 {
unsignedchar s6_addr[16]; /* IPv6 address */
};
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。
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);
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。
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);
accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet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，代表与返回客户的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。
read()、write()等函数
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()
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);
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)。
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);
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。
socket中TCP的三次握手建立连接详解
大致流程如下：
客户端向服务器发送一个SYN J。
服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1。
客户端再想服务器发一个确认ACK K+1。
三次握手与socket编程之中的函数对应关系如下图所示：
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。
（3）网络字节序和主机字节序
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。所以对主机字节序，务必将其转化为网络字节序后再赋给socket。
简单实例：
客户端client.c
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#define PORT 4321
#define BUFFER_SIZE 1024
int main()
{
int sockfd,sendbytes;
char buf[BUFFER_SIZE];
struct sockaddr_in serv_addr;
/*创建socket*/
if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) == -1)
{
perror("socket");
exit(1);
}
/*设置sockaddr_in结构体中相关参数*/
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(PORT);
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);
/*调用connect函数主动发起对服务器端的连接*/
if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1)
{
perror("send");
exit(1);
}
fgets(buf,BUFFER_SIZE,stdin);
}
服务器端：
server.c
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<netinet/in.h>
#define PORT 4321
#define BUFFER_SIZE 1024
#define MAX_QUE_CONN_NM 5
int main()
{
struct sockaddr_in server_sockaddr,client_sockaddr;
int sin_size,recvbytes;
int sockfd,client_fd;
char buf[BUFFER_SIZE];
/*建立socket连接*/
if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
{
perror("socket");
exit(1);
}
printf("Socket id = %d \n",sockfd);
/*设置sockaddr_in 结构体中相关参数*/
server_sockaddr.sin_family =AF_INET;//IPv4
server_sockaddr.sin_port =htons(PORT);//主机字节序转为网络字节序
server_sockaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; //任意地址
bzero(&(server_sockaddr.sin_zero),8);
int i=1;//允许重复使用本地地址与套接字进行绑定
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&i,sizeof(i));
/*绑定操作*/
if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&server_sockaddr,sizeof(struct sockaddr))==-1)
{
perror("bind");
exit(1);
}
printf("Bind success!\n");
/*调用listen函数创建未处理请求的队列*/
if(listen(sockfd,MAX_QUE_CONN_NM)==-1)
{
perror("listen");
exit(1);
}
printf("Listening...\n");
/*调用accept函数，等待客户端的连接*/
sin_size = sizeof(client_sockaddr);
if((client_fd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)&client_sockaddr,&sin_size))==-1)
{
perror("accept");
exit(1);
}
/*调用recv函数接收客户端的请求*/
memset(buf,0,sizeof(buf));
if((recvbytes = recv(client_fd,buf,BUFFER_SIZE,0)) == -1)
{
perror("recv");
exit(1);
}
printf("Server receives a message:%s \n",buf);
close(sockfd);
exit(0);
}
