socket网络编程基础小记

        “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+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 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：

        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、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号端口。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，这样的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。

 

    （unix domain socket）使用udp发送>=128K的消息会报ENOBUFS的错误（一个实际socket编程中遇到的问题。希望对你有帮助）

作者：吴秦