socket编程TCPUDP通信总结

Posted 2021-08-28 果果小师弟

一、什么是socket？

Socket的英文原义是“孔”或“插座”。在编程中，Socket被称做 套接字，是网络通信中的一种约定。Socket编程的应用无处不在，我们平时用的QQ、微信、浏览器等程序，都与Socket编程有关。我们平时使用浏览器查资料，这个过程的技术原理是怎样的呢？
我们平时使用浏览器，大致就是这样的一个过程。这里有两个重要的名词： 服务端与 客户端。

Socket编程的目的就是如何实现这两端之间的通信。

1、Socket编程在嵌入式中也很重要

Socket编程不仅仅在互联网方面很重要，在我们的嵌入式方面也是非常的重要，因为现在很多电子设备都趋向于联网。比如很多嵌入式工作的招聘要求都会有这一条要求：

说一点题外话，还在学校的朋友，如果感觉到很迷茫，不知道学什么的时候，可以上招聘网站上看看自己未来工作相关的职位的任职要求，这样就可以总结自己的一些不足、比较有针对性的去学习。

二、Socket编程中的几个重要概念

Socket编程用于解决我们 客户端与 服务端之间通信的问题。我们平时多多少少都有听过IP地址、端口、TCP协议、UDP协议等概念，这些都与Socket编程中相关，想要知道怎么用起来，当然得先了解它们的一些介绍。下面看一下这些专业术语的一些要点介绍：

1、什么是IP地址？

IP地址（InternetProtocolAddress）是指互联网协议地址，又译为 网际协议地址。IP地址被用来给Internet上的电脑一个编号。我们可以把“个人电脑”比作“一台电话”，那么“IP地址”就相当于“电话号码”。若计算机1知道计算机2的IP地址，则计算机1就能访问计算机2。

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。IP地址通常用 点分十进制表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数。例：点分十进IP地址（100.4.5.6），实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）。

IP地址有 IPv4与 IPv6之分，现在用得较多的是IPv4。其中，有一个特殊的IP地址需要我们记住： 127.0.0.1，这是回送地址，即本地机，一般用来测试使用。后边我们的实例中会用到。

关于IP地址还有很多知识要点，但是对于在Socket编程中的应用，我们暂且知道这么多就可以。

2、什么是TCP/IP端口？

上一点中我们提到，若计算机1知道计算机2的IP地址，则计算机1就能访问计算机2。但是，我们要访问计算机2中的不同的应用软件，则还得需要一个信息： 端口。端口使用16bit进行编号，即其范围为： 0~ 65536。但 0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21等。

3、什么是协议？

协议（Protocol）是通信双方进行数据交互的一种约定。如TCP、UDP协议：

(1)TCP协议

TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，数据可以准确发送，数据丢失会重发。TCP协议常用于web应用中。
TCP连接（三次握手）

TCP传输起始时，客户端、服务端要完成三次数据交互工作才能建立连接，常称为三次握手。可形象比喻为如下对话：

客户端：服务端您好，我有数据要发给你，请求您开通访问权限。
服务端：客户端您好，已给您开通权限，您可以发送数据了。
客户端：收到，谢谢。

这里的SYN和ACK是都是标志位，其中SYN代表新建一个连接，ACK代表确认。其中m、n都是随机数。具体说明如：

• 第一次握手：SYN标志位被置位，客户端向服务端发送一个随机数m。
• 第二次握手：ACK、SYN标志位被置位。服务端向客户端发送m+1表示确认刚才收到的数据，同时向客户端发送一个随机数n。
• 第三次握手：ACK标志被置位。客户端向服务端发送n+1表示确认收到数据。
  TCP断开（四次挥手）

TCP断开连接时，客户端、服务端要完成四次数据交互工作才能建立连接，常称为四次挥手。可形象比喻为如下对话：

客户端：服务端您好，我发送数据完毕了，即将和您断开连接。
服务端：客户端您好，我稍稍准备一下，再给您断开
服务端：客户端您好，我准备好了，您可以断开连接了。
客户端：好的，合作愉快！

具体示意图为：

这里的FIN也是一个标志位，代表断开连接。具体说明类似三次握手。

为什么建立连接只需要三次数据交互，而断开连接需要四次呢？

建立连接时，服务端在监听状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。

而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

(2）UDP协议

UDP（User Datagram Protocol， 用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，可以保证通讯效率，传输延时小。例如视频聊天应用中用的就是UDP协议，这样可以保证及时丢失少量数据，视频的显示也不受很大影响。

4、什么是协议族？

协议族是多个协议的统称。比如我们的TCP/IP协议族，其不仅仅是TCP协议、IP协议，而是多个协议的集合，其包含IP、TCP、UDP、FTP、SMTP等协议。

三、socket编程的API接口

1、Linux下的socket API接口

(1)创建socket：socket()函数

函数原型：

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

• af参数：af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AFINET 和 AFINET6，其前缀也可以是PF（Protocol Family），即PFINET 和 PFINET6。

• type参数：type 为数据传输方式，常用的有 面向连接（ SOCK_STREAM）方式（即TCP） 和 无连接（ SOCK_DGRAM）的方式（即UDP）。

• protocol参数：protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。

使用示例：
创建TCP套接字：

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

创建UDP套接字：

int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

(2)绑定套接字：bind()函数

函数原型：

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

• sock参数：sock 为 socket 文件描述符。
• addr参数：addr 为 sockaddr 结构体变量的指针。
• addrlen参数：addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

使用示例：

将创建的套接字 ServerSock与本地IP 127.0.0.1、端口 1314进行绑定：

/* 创建服务端socket */
int ServerSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
/* 设置服务端信息 */
struct sockaddr_in ServerSockAddr;
memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr)); // 给结构体ServerSockAddr清零
ServerSockAddr.sin_family = PF_INET;  // 使用IPv4地址
ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");// 本机IP地址
ServerSockAddr.sin_port = htons(1314); // 端口
/* 绑定套接字 */
bind(ServerSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR));

其中 structsockaddr_in类型的结构体变量用于保存IPv4的IP信息。若是IPv6，则有对应的结构体：

struct sockaddr_in6 
{ 
	sa_family_t sin6_family;    // 地址类型，取值为AF_INET6
	in_port_t sin6_port;        // 16位端口号
	uint32_t sin6_flowinfo;     // IPv6流信息
	struct in6_addr sin6_addr;  // 具体的IPv6地址
	uint32_t sin6_scope_id;     // 接口范围ID
};

(3)建立连接：connect()函数

函数原型：

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);  

参数与 bind()的参数类似。

使用示例：

int ClientSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
connect(ClientSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR));

(4)监听：listen()函数

函数原型：

int listen(int sock, int backlog);

sock参数：sock 为需要进入监听状态的套接字。
backlog参数：backlog 为请求队列的最大长度。

使用示例：

/* 进入监听状态 */
listen(ServerSock, 10);

(5)接收请求：accept()函数

函数原型：

int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• sock参数：sock 为服务器端套接字。
• addr参数：addr 为 sockaddr_in 结构体变量。
• addrlen参数：addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。
• 返回值：一个新的套接字，用于与客户端通信。

使用示例：

/* 监听客户端请求，accept函数返回一个新的套接字，发送和接收都是用这个套接字 */
int ClientSock = accept(ServerSock, (SOCKADDR*)&ClientAddr, &len);

(6)关闭：close()函数

函数原型：

int close(int fd);

• fd：要关闭的文件描述符。

使用示例：

close(ServerSock);

(7)数据的接收和发送

数据收发函数有几组：

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

函数原型：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
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);

这里介绍一下recv()/send()、recvfrom()/sendto()。

recv()函数：

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

• sockfd参数：sockfd为要接收数据的套接字。
• buf参数：buf 为要接收的数据的缓冲区地址。
• len参数：len 为要接收的数据的字节数。
• flags参数：flags 为接收数据时的选项，常设为0。

send()函数：

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

• sockfd参数：sockfd为要发送数据的套接字。
• buf参数：buf 为要发送的数据的缓冲区地址。
• len参数：len 为要发送的数据的字节数。
• flags参数：flags 为发送数据时的选项，常设为0。

recvfrom()函数：

ssize_t recvfrom(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockadr *from, socklen_t *addrlen);

• sock：用于接收UDP数据的套接字；
• buf：保存接收数据的缓冲区地址；
• nbytes：可接收的最大字节数（不能超过buf缓冲区的大小）；
• flags：可选项参数，若没有可传递0；
• from：存有发送端地址信息的sockaddr结构体变量的地址；
• addrlen：保存参数 from 的结构体变量长度的变量地址值。

sendto()函数：

ssize_t sendto(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);

• sock：用于传输UDP数据的套接字；
• buf：保存待传输数据的缓冲区地址；
• nbytes：带传输数据的长度（以字节计）；
• flags：可选项参数，若没有可传递0；
• to：存有目标地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；
• addrlen：传递给参数 to 的地址值结构体变量的长度。

2、windows下的socket API接口

跟Linux下的差不多：

SOCKET socket(int af, int type, int protocol);
int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen);
int connect(SOCKET sock, const struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);
int listen(SOCKET sock, int backlog);
SOCKET accept(SOCKET sock, struct sockaddr *addr, int *addrlen); 
int closesocket( SOCKET s);
int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);
int recv(SOCKET sock, char *buf, int len, int flags);
int recvfrom(SOCKET sock, char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockaddr *from, int *addrlen);
int sendto(SOCKET sock, const char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockadr *to, int addrlen);

3、TCP、UDP通信的socket编程过程图

(1)TCP通信socket编程过程

(2)UDP通信socket编程过程

四、socket的应用实例

1、基于TCP的本地客户端、服务端信息交互实例

本例的例子实现的功能为：本地TCP客户端往本地TCP服务端发送数据，TCP服务端收到数据则会打印输出，同时把原数据返回给TCP客户端。这个例子类似于我们在做单片机的串口实验时，串口上位机往我们的单片机发送数据，单片机收到数据则把该数据原样返回给上位机。

(1)windows的程序：

服务端程序tcp_server.c：

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

#define BUF_LEN  100

int main(void)
{
	WSADATA wd;
	SOCKET ServerSock, ClientSock;
	char Buf[BUF_LEN] = {0};
	SOCKADDR ClientAddr;
	SOCKADDR_IN ServerSockAddr;
	int addr_size = 0, recv_len = 0;
	
	/* 初始化操作sock需要的DLL */
	WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wd);  
	
	/* 创建服务端socket */
	if (-1 == (ServerSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)))
	{
		printf("socket error!\\n");
		exit(1);
	}
	
	/* 设置服务端信息 */
    memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr)); 	// 给结构体ServerSockAddr清零
    ServerSockAddr.sin_family = AF_INET;  					// 使用IPv4地址
    ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");// 本机IP地址
    ServerSockAddr.sin_port = htons(1314);  				// 端口
	
	/* 绑定套接字 */
    if (-1 == bind(ServerSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR)))
	{
		printf("bind error!\\n");
		exit(1);
	}
		
	/* 进入监听状态 */
	if (-1 == listen(ServerSock, 10))
	{
		printf("listen error!\\n");
		exit(1);
	}
	
	addr_size = sizeof(SOCKADDR);

	while (1)
	{
		/* 监听客户端请求，accept函数返回一个新的套接字，发送和接收都是用这个套接字 */
		if (-1 == (ClientSock = accept(ServerSock, (SOCKADDR*)&ClientAddr, &addr_size)))
		{
			printf("socket error!\\n");
			exit(1);
		}

		/* 接受客户端的返回数据 */
		int recv_len = recv(ClientSock, Buf, BUF_LEN, 0);
		printf("客户端发送过来的数据为：%s\\n", Buf);
		
		/* 发送数据到客户端 */
		send(ClientSock, Buf, recv_len, 0);
		
		/* 关闭客户端套接字 */
		closesocket(ClientSock);
		
		/* 清空缓冲区 */
		memset(Buf, 0, BUF_LEN);  
	}

	/*如果有退出循环的条件，这里还需要清除对socket库的使用*/
	/* 关闭服务端套接字 */
	//closesocket(ServerSock);
    /* WSACleanup();*/

	return 0;
}

客户端程序tcp_client.c：

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

#define BUF_LEN  100

int main(void)
{
	WSADATA wd;
	SOCKET ClientSock;
	char Buf[BUF_LEN] = {0};
	SOCKADDR_IN  ServerSockAddr;
	
	/* 初始化操作sock需要的DLL */
	WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wd);  
	
	/* 向服务器发起请求 */
    memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr));  
    ServerSockAddr.sin_family = AF_INET;
    ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    ServerSockAddr.sin_port = htons(1314);
	
	while (1)
	{
		/* 创建客户端socket */
		if (-1 == (ClientSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)))
		{
			printf("socket error!\\n");
			exit(1);
		}
		if (-1 == connect(ClientSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR)))
		{
			printf("connect error!\\n");
			exit(1);
		}
		printf("请输入一个字符串，发送给服务端：");
		gets(Buf);
		/* 发送数据到服务端 */
		send(ClientSock, Buf, strlen(Buf), 0);
		
		/* 接受服务端的返回数据 */
		recv(ClientSock, Buf, BUF_LEN, 0);
		printf("服务端发送过来的数据为：%s\\n", Buf);
		
		memset(Buf, 0, BUF_LEN);   // 重置缓冲区
		closesocket(ClientSock);   // 关闭套接字
	}	
	// WSACleanup();  /*如果有退出循环的条件，这里还需要清除对socket库的使用*/
	return 0;
}

我们上边的IP地址概念那一部分中，有强调127.0.0.1这个IP是一个特殊的IP地址，这是回送地址，即本地机，一般用来测试使用。这个例子中我们就用到了。此外，端口我们设置为1314，这是随意设置的，只要范围在1024~65536之间就可以。

在这里我是用记事本Notepad3写得程序，在windows下用命令行来编译运行程序的。首先要安装Notepad3软件，然后要安装gcc编译器MinGW。安装Notepad3软件可以自行百度下载软件安装，gcc编译器MinGW请参考VScode中搭建C/C++开发环境章节，也可参考【C语言笔记】使用notepad++、MinGW来开发C程序及和【C语言笔记】windows命令行下编译C程序）。这里我只添加新建了一个D:\\Software\\MinWG\\bin变量，并没有添加D:\\Software\\MinWG\\lib和D:\\Software\\MinWG\\include的环境变量也可以运行。

本文使用的是gcc编译器编译，编译命令如下：

gcc tcp_server.c -o tcp_server.exe -lwsock32
gcc tcp_client.c -o tcp_client.exe -lwsock32

这里必须要加 -lwsock32这个参数用于链接windows下socket编程必须的winsock2这个库。若是使用集成开发环境，则需要把 wsock32.lib放在工程目录下，并在我们代码中 #include<winsock2.h> 下面加上一行 #pragmacomment(lib,"ws2_32.lib")代码（这种情况本人未验证，有兴趣的朋友可尝试）。

实验现象：

先启动服务端程序tcp_server.exe，再启动客户端程序tcp_client.exe，并在客户端中输入字符串，则当服务端会接收到字符串时会打印输出，与此同时也会往客户端返回相同的数据：

(2)Linux的程序：

在linux下，“一切都是文件”，所以这里我们的套接字也当做文件来看待。

服务端程序linux_tcp_server.c：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define BUF_LEN  100

int main(void)
{
	int ServerFd, ClientFd;	//定义服务端和客户端的文件描述符			

	struct sockaddr_in ServerSockAddr;  //定义服务端socket地址
	struct sockaddr ClientAddr;//定义客户端socket地址
	char Buf[BUF_LEN] = {0};//定义接受缓冲区的buf	
	int addr_len = 0, recv_len = 0;
	int optval = 1; 
	
	/* 创建服务端文件描述符 */
	if (-1 == (ServerFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)))
	{
		printf("socket error!\\n");
		exit(1);以上是关于socket编程TCPUDP通信总结的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 
 socket编程TCPUDP通信总结
 socket编程TCPUDP通信你会了吗？
 socket编程TCPUDP通信你会了吗？
 java中进行socket编程实现tcpudp协议总结
 java中进行socket编程实现tcpudp协议总结
 VC++使用socket进行TCPUDP通信实例总结