“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。本文的主要内容如下:

  • 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详细解释
  • 5、socket中TCP的四次握手释放连接详细解释
  • 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,后续的操作都实用到它,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)。常常使用的协议族有,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。常常使用的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。常常使用的协议有,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,但沒有一个详细的地址。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 108struct 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,一个字节的数据沒有顺序的问题了。

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完成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,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,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,完成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,唯独当引用计数为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详细解释

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”,即交换三个分组。大致流程如下:

  • 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

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

socket通信技术介绍_三次握手

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详细解释

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:

socket通信技术介绍_网络字节序_02

图2、socket中发送的TCP四次握手

图示步骤如下:

  • 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:


socket通信技术介绍_网络字节序_03server端


#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:


socket通信技术介绍_网络字节序_03client


#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,即唯独处理完一个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


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。