Socket通信原理和实践

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

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+端口”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，端口）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。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，但没有一个具体的地址。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端口。

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地址和端口号组合赋给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+端口号），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端口号和自身的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，第二个參数为相应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通常通常仅仅仅仅创建一个监听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，相应的已连接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全部的数据。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，具体參见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相应的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操作仅仅是使相应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，至此三次握手完毕，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，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；
• 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.以下给出实现的一个实例

首先，先给出实现的截图

server端代码例如以下：

#include "InitSock.h" 
#include <stdio.h> 
#include <iostream>
using namespace std;
CInitSock initSock;     // 初始化Winsock库 

int main() 
{ 
    // 创建套节字 
    SOCKET sListen = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
	//用来指定套接字使用的地址格式，通常使用AF_INET
    //指定套接字的类型，若是SOCK_DGRAM，则用的是udp不可靠传输
	//配合type參数使用，指定使用的协议类型（当指定套接字类型后，能够设置为0，因为默觉得UDP或TCP）
    if(sListen == INVALID_SOCKET) 
    { 
        printf("Failed socket() 
"); 
        return 0; 
    } 
     
    // 填充sockaddr_in结构 ,是个结构体
	/* struct sockaddr_in {
	
	short sin_family;  //地址族（指定地址格式） ，设为AF_INET
	u_short	sin_port; //端口号
	struct in_addr sin_addr; //IP地址
	char sin_zero[8]; //空子节，设为空
	} */

    sockaddr_in sin; 
    sin.sin_family = AF_INET; 
    sin.sin_port = htons(4567);  //1024 ~ 49151：普通用户注冊的端口号
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY; 
     
    // 绑定这个套节字到一个本地地址 
    if(::bind(sListen, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR) 
    { 
        printf("Failed bind() 
"); 
        return 0; 
    } 
     
    // 进入监听模式 
	//2指的是，监听队列中同意保持的尚未处理的最大连接数

    if(::listen(sListen, 2) == SOCKET_ERROR) 
    { 
        printf("Failed listen() 
"); 
        return 0; 
    } 
     
    // 循环接受客户的连接请求 
    sockaddr_in remoteAddr;  
    int nAddrLen = sizeof(remoteAddr); 
    SOCKET sClient = 0; 
    char szText[] = " TCP Server Demo! 
"; 
    while(sClient==0) 
    { 
        // 接受一个新连接 
		//（(SOCKADDR*)&remoteAddr）一个指向sockaddr_in结构的指针，用于获取对方地址
        sClient = ::accept(sListen, (SOCKADDR*)&remoteAddr, &nAddrLen); 
        if(sClient == INVALID_SOCKET) 
        { 
            printf("Failed accept()"); 
        } 
         
         
        printf("接受到一个连接：%s 
", inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr)); 
        continue ; 
    } 

    while(TRUE) 
    { 
        // 向client发送数据 
        gets(szText) ; 
        ::send(sClient, szText, strlen(szText), 0); 
         
        // 从client接收数据 
        char buff[256] ; 
        int nRecv = ::recv(sClient, buff, 256, 0); 
        if(nRecv > 0) 
        { 
            buff[nRecv] = ''; 
            printf(" 接收到数据：%s
", buff); 
        } 
     
    } 

    // 关闭同client的连接 
    ::closesocket(sClient); 
         
    // 关闭监听套节字 
    ::closesocket(sListen); 

    return 0; 
} 

client代码：

#include "InitSock.h" 
#include <stdio.h> 
#include <iostream> 
using namespace std;
CInitSock initSock;     // 初始化Winsock库 

int main() 
{ 
    // 创建套节字 
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); 
    if(s == INVALID_SOCKET) 
    { 
        printf(" Failed socket() 
"); 
        return 0; 
    } 
     
    // 也能够在这里调用bind函数绑定一个本地地址 
    // 否则系统将会自己主动安排 
     
    // 填写远程地址信息 
    sockaddr_in servAddr;  
    servAddr.sin_family = AF_INET; 
    servAddr.sin_port = htons(4567); 
    // 注意，这里要填写server程序（TCPServer程序）所在机器的IP地址 
    // 假设你的计算机没有联网，直接使用127.0.0.1就可以 
    servAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1"); 
     
    if(::connect(s, (sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1) 
    { 
        printf(" Failed connect() 
"); 
        return 0; 
    } 
     
    char buff[256]; 
    char szText[256] ; 
     
    while(TRUE) 
    { 
        //从server端接收数据 
        int nRecv = ::recv(s, buff, 256, 0); 
        if(nRecv > 0) 
        { 
            buff[nRecv] = ''; 
            printf("接收到数据：%s
", buff); 
        } 

        // 向server端发送数据 

        gets(szText) ; 
        szText[255] = ''; 
        ::send(s, szText, strlen(szText), 0) ; 
         
    } 
     
    // 关闭套节字 
    ::closesocket(s); 
    return 0; 
} 

封装的InitSock.h

#include <winsock2.h> 
#include <stdlib.h>  
#include <conio.h>  
#include <stdio.h>  

#pragma comment(lib, "WS2_32")  // 链接到WS2_32.lib 

class CInitSock      
{ 
public: 
    CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2) 
    { 
        // 初始化WS2_32.dll 
        WSADATA wsaData; 
        WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer); 
        if(::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0) 
        { 
            exit(0); 
        } 
    } 
    ~CInitSock() 
    {    
        ::WSACleanup();  
    } 
}; 

本文出处:

作者：吴秦

出处：http://www.cnblogs.com/skynet/