Socket 基础及接口函数

Posted 2020-12-30 blogwww

　　Socket,又称为套接字，Socket是计算机网络通信的基本的技术之一。如今大多数基于网络的软件，如浏览器，即时通讯工具甚至是P2P下载都是基于Socket实现的。本篇会介绍一下基于TCP/IP的Socket编程，并且如何写一个客户端/服务器程序。

1.1 背景介绍

　　Unix的输入输出(IO)系统遵循Open-Read-Write-Close这样的操作范本。当一个用户进程进行IO操作之前，它需要调用Open来指定并获取待操作文件或设备读取或写入的权限。一旦IO操作对象被打开，那么这个用户进程可以对这个对象进行一次或多次的读取或写入操作。Read操作用来从IO操作对象读取数据，并将数据传递给用户进程。Write操作用来将用户进程中的数据传递（写入）到IO操作对象。 当所有的Read和Write操作结束之后，用户进程需要调用Close来通知系统其完成对IO对象的使用。
　　在Unix开始支持进程间通信（InterProcess Communication，简称IPC）时，IPC的接口就设计得类似文件IO操作接口。在Unix中，一个进程会有一套可以进行读取写入的IO描述符。IO描述符可以是文件，设备或者是通信通道（socket套接字）。一个文件描述符由三部分组成：创建（打开socket），读取写入数据（接受和发送到socket）还有销毁（关闭socket）。
　　在Unix系统中，类BSD版本的IPC接口是作为TCP和UDP协议之上的一层进行实现的。消息的目的地使用socket地址来表示。一个socket地址是由网络地址和端口号组成的通信标识符。
　　进程间通信操作需要一对儿socket。进程间通信通过在一个进程中的一个socket与另一个进程中得另一个socket进行数据传输来完成。当一个消息执行发出后，这个消息在发送端的socket中处于排队状态，直到下层的网络协议将这些消息发送出去。当消息到达接收端的socket后，其也会处于排队状态，直到接收端的进程对这条消息进行了接收处理。

1.2 TCP和UDP通信
　　关于socket编程我们有两种通信协议可以进行选择。一种是数据报通信，另一种就是流通信。
　　1.2.1 数据报通信
　　数据报通信协议，就是我们常说的UDP（User Data Protocol 用户数据报协议）。UDP是一种无连接的协议，这就意味着我们每次发送数据报时，需要同时发送本机的socket描述符和接收端的socket描述符。因此，我们在每次通信时都需要发送额外的数据。
　　1.2.2 流通信
　　流通信协议，也叫做TCP(Transfer Control Protocol，传输控制协议)。和UDP不同，TCP是一种基于连接的协议。在使用流通信之前，我们必须在通信的一对儿socket之间建立连接。其中一个socket作为服务器进行监听连接请求。另一个则作为客户端进行连接请求。一旦两个socket建立好了连接，他们可以单向或双向进行数据传输。
　　我们进行socket编程使用UDP还是TCP呢。选择基于何种协议的socket编程取决于你的具体的客户端-服务器端程序的应用场景。下面我们简单分析一下TCP和UDP协议的区别：
　　在UDP中，每次发送数据报时，需要附带上本机的socket描述符和接收端的socket描述符。而由于TCP是基于连接的协议，在通信的socket对之间需要在通信之前建立连接，因此会有建立连接这一耗时存在于TCP协议的socket编程。
　　在UDP中，数据报数据在大小上有64KB的限制。而TCP中也不存在这样的限制。一旦TCP通信的socket对建立了连接，他们之间的通信就类似IO流，所有的数据会按照接受时的顺序读取。
　　UDP是一种不可靠的协议，发送的数据报不一定会按照其发送顺序被接收端的socket接受。然后TCP是一种可靠的协议。接收端收到的包的顺序和包在发送端的顺序是一致的。
　　简而言之，TCP适合于诸如远程登录(rlogin,telnet)和文件传输（FTP）这类的网络服务。因为这些需要传输的数据的大小不确定。而UDP相比TCP更加简单轻量一些。UDP用来实现实时性较高或者丢包不重要的一些服务。在局域网中UDP的丢包率都相对比较低。

1.3 C 中的 Socket 编程

　　   说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。　　

　　在使用Socket API编程时，需要重点先了解几个API，包括：socket()、bind()、connect()、listen()、accept()、send()和recv()、sendto()和recvfrom()、close()和shutdown()、getpeername()、gethostname()。这些接口是在Winsock2.h 中定义的不是在 MFC 中定义的，只需包含 Winsock2.h 头文件和 Ws2_32.lib 库就可以了。

　　  服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

1.3.1 客户端/服务端模式：

　　在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程相互作用的主要模式是客户/服务器模式，即客户端向服务器发出请求，服务器接收请求后，提供相应的服务。
　　服务端：建立socket，声明自身的端口号和地址并绑定到socket，使用listen打开监听，然后不断用accept去查看是否有连接，如果有，捕获socket，并通过recv获取消息的内容，通信完成后调用closeSocket关闭这个对应accept到的socket，如果不再需要等待任何客户端连接，那么用closeSocket关闭掉自身的socket。
　　客户端：建立socket，通过端口号和地址确定目标服务器，使用Connect连接到服务器，send发送消息，等待处理，通信完成后调用closeSocket关闭socket。

1.3.2 编程步骤
　　（1）服务端
　　　　加载套接字库，创建套接字（WSAStartup()/socket()）;
　　　　绑定套接字到一个IP地址和一个端口上（bind()）;
　　　　将套接字设置为监听模式等待连接请求（listen()）；
　　　　请求到来后，接受连接请求，返回一个新的对应于此次连接的套接字（accept()）；
　　　　用返回的套接字和客户端进行通信（send()/recv()）；
　　　　返回，等待另一个连接请求；
　　　　关闭套接字，关闭加载的套接字库（closesocket()/WSACleanup()）；
　　（2）客户端
　　　　加载套接字库，创建套接字（WSAStartup()/socket()）；
　　　　向服务器发出连接请求（connect()）；
　　　　和服务器进行通信（send()/recv()）；
　　　　关闭套接字，关闭加载的套接字库（closesocket()/WSACleanup()）；

1.4 函数详解

1.4.1 socket()函数
　　int socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd

　　sockfd是描述符。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。
      创建socket的时候，可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：
　　protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、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、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等。
　　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（这个协议我将会单独开篇讨论！）。
　　注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。
　　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。

1.4.2 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。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。
　　int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
　　函数的三个参数分别为：
　　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：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。
　　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。

1.4.3 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。

1.4.4 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()函数取接收请求，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); //返回连接connect_fd
　　参数sockfd
　　参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。
　　参数addr
　　这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。
　　参数len

　　它也是结果的参数，用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。
　　如果accept成功返回，则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。
注意：
      accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是连接套接字。
此时我们需要区分两种套接字，
       监听套接字: 监听套接字正如accept的参数sockfd，它是监听套接字，在调用listen函数之后，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字(监听套接字)
       连接套接字：一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字；而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字)，它代表着一个网络已经存在的点点连接。

　　一个服务器通常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。
      自然要问的是：为什么要有两种套接字？原因很简单，如果使用一个描述字的话，那么它的功能太多，使得使用很不直观，同时在内核确实产生了一个这样的新的描述字。
　　连接套接字socketfd_new 并没有占用新的端口与客户端通信，依然使用的是与监听套接字socketfd一样的端口号

1.4.5 read()、write()等函数
　　万事具备只欠东风，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()

　　int send( SOCKET s, const char FAR *buf, int len,int flags);  
　　不论是客户还是服务器应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据。
　　客户程序一般用send函数向服务器发送请求，而服务器则通常用send函数来向客户程序发送应答。
　　该函数的第一个参数指定发送端套接字描述符；第二个参数指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；第三个参数指明实际要发送的数据的字节数；第四个参数一般置0。
　　int recv( SOCKET s, char FAR *buf,  int len,int flags);  
　　不论是客户还是服务器应用程序都用recv函数从TCP连接的另一端接收数据。
　　该函数的第一个参数指定接收端套接字描述符；第二个参数指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放recv函数接收到的数据；第三个参数指明buf的长度；第四个参数一般置0。

1.4.6 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。

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