Socket套接字详解

为什么要学socket?因为,只要使用网络,就离不开socket。

我们深谙信息交流的价值,那网络中进程之间如何通信,如我们每天打开浏览器浏览网页时,浏览器的进程怎么与web服务器通信的?当你用QQ聊天时,QQ进程怎么与服务器或你好友所在的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。

 

1、网络中进程之间如何通信?

网络中进程之间如何通信?首要解决的问题是如何唯一标识一个进程,否则通信无从谈起!在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程,但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题,网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机,而传输层的“协议+端口”可以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)就可以标识网络的进程了,网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

在现在广为使用的TCP/IP协议下,其相关的协议关系如下:

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口: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。就目前而言,几乎所有的应用程序都是采用socket,而现在又是网络时代,网络中进程通信是无处不在。

Socket在TCP/IP协议中是什么地位呢?

可见,TCP/IP协议是离不开socket的。

 2、什么是Socket?

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。

门面模式,用自己的话说,就是系统对外界提供单一的接口,外部不需要了解内部的实现。

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就提供了这些操作对应的函数接口。下面以TCP为例,介绍几个基本的socket接口函数。

socket()函数(创建)

函数原型:

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

参数说明:
  

domain:协议域,又称协议族(family)。常用的协议族有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL(或称AF_UNIX,Unix域Socket)、AF_ROUTE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。流式Socket(SOCK_STREAM)是一种面向连接的Socket,针对于面向连接的TCP服务应用。数据报式Socket(SOCK_DGRAM)是一种无连接的Socket,对应于无连接的UDP服务应用。

protocol:指定协议。常用协议有IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_STCP、IPPROTO_TIPC等,分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。

注意:

1.type和protocol不可以随意组合,如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当第三个参数为0时,会自动选择第二个参数类型对应的默认协议。

2.WindowsSocket下protocol参数中不存在IPPROTO_STCP


返回值:

如果调用成功就返回新创建的套接字的描述符,如果失败就返回INVALID_SOCKET(Linux下失败返回-1)。套接字描述符是一个整数类型的值。每个进程的进程空间里都有一个套接字描述符表,该表中存放着套接字描述符和套接字数据结构的对应关系。该表中有一个字段存放新创建的套接字的描述符,另一个字段存放套接字数据结构的地址,因此根据套接字描述符就可以找到其对应的套接字数据结构。每个进程在自己的进程空间里都有一个套接字描述符表但是套接字数据结构都是在操作系统的内核缓冲里。


bind()函数(绑定)

函数原型:

int bind(SOCKET socket, const struct sockaddr* address, socklen_t address_len);

参数说明:

socket:是一个套接字描述符。它是通过socket()函数创建的唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

address:是一个sockaddr结构指针,该结构中包含了要结合的地址和端口号。

ipv4对应的是:

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对应的是: 

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域对应的是: 

#define UNIX_PATH_MAX    108
struct sockaddr_un
{ 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */
};

address_len:确定address缓冲区的长度。

返回值:

如果函数执行成功,返回值为0,否则为SOCKET_ERROR。

listen()、connect()函数

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

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。

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。

accept()函数

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

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()之后就想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);
accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字,第二个参数为指向struct sockaddr *的指针,用于返回客户端的协议地址,第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功,那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字,代表与返回客户的TCP连接。
注意:accept的第一个参数为服务器的socket描述字,是服务器开始调用socket()函数生成的,称为监听socket描述字;而accept函数返回的是已连接的socket描述字。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。

read()、write()等函数

从前面下来至此,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,即实现了网络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()

 函数原型

#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,如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了,小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的,如果是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。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

recv()函数

函数原型:

int recv(SOCKET socket, char FAR* buf, int len, int flags);

参数说明:
  

socket:一个标识已连接套接口的描述字。

buf:用于接收数据的缓冲区。

len:缓冲区长度。

flags:指定调用方式。取值:MSG_PEEK 查看当前数据,数据将被复制到缓冲区中,但并不从输入队列中删除;MSG_OOB 处理带外数据。

返回值:

若无错误发生,recv()返回读入的字节数。如果连接已中止,返回0。否则的话,返回SOCKET_ERROR错误,应用程序可通过WSAGetLastError()获取相应错误代码。

 send() 函数

函数原型:

int send( SOCKET socket, const char FAR *buf, int len, int flags );

参数说明:
  

socket:一个标识已连接套接口的描述字。

buf:用于发送数据的缓冲区。

len:缓冲区长度。

flags:一般置为0即可

返回值:

如果send函数copy数据成功,就返回实际copy的字节数,如果send在copy数据时出现错误,那么send就返回SOCKET_ERROR;如果send在等待协议传送数据时网络断开的话,那么send函数也返回SOCKET_ERROR。

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了,具体参见man文档或者baidu、Google,下面的例子中将使用到send/recv。

close()函数 

int close(int fd);

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。

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。

 

4、socket中TCP的三次握手建立连接详解

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:

客户端向服务器发送一个SYN J

服务器向客户端响应一个SYN K,并对SYN J进行确认ACK J+1

客户端再想服务器发一个确认ACK K+1

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

image

从图中可以看出,当客户端调用connect时,触发了连接请求,向服务器发送了SYN J包,这时connect进入阻塞状态;服务器监听到连接请求,即收到SYN J包,调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ,ACK J+1,这时accept进入阻塞状态;客户端收到服务器的SYN K ,ACK J+1之后,这时connect返回,并对SYN K进行确认;服务器收到ACK K+1时,accept返回,至此三次握手完毕,连接建立。

5、socket中TCP的四次握手释放连接详解

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。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程,请看下图:

image

图示过程如下:
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;
另一端接收到FIN M之后,执行被动关闭,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。
这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

6、一个例子(实践一下)

 服务端:

/*
    C socket server example
*/
 
#include<stdio.h>
#include<string.h>    //strlen
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h> //inet_addr
#include<unistd.h>    //write
 
int main(int argc , char *argv[])
{
    int socket_desc , client_sock , c , read_size;
    struct sockaddr_in server , client;
    char client_message[2000];
     
    //Create socket
    socket_desc = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);
    if (socket_desc == -1)
    {
        printf("Could not create socket");
    }
    puts("Socket created");
     
    //Prepare the sockaddr_in structure
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server.sin_port = htons( 8888 );
     
    //Bind
    if( bind(socket_desc,(struct sockaddr *)&server , sizeof(server)) < 0)
    {
        //print the error message
        perror("bind failed. Error");
        return 1;
    }
    puts("bind done");
     
    //Listen
    listen(socket_desc , 3);
     
    //Accept and incoming connection
    puts("Waiting for incoming connections...");
    c = sizeof(struct sockaddr_in);
     
    //accept connection from an incoming client
    client_sock = accept(socket_desc, (struct sockaddr *)&client, (socklen_t*)&c);
    if (client_sock < 0)
    {
        perror("accept failed");
        return 1;
    }
    puts("Connection accepted");
     
    //Receive a message from client
    while( (read_size = recv(client_sock , client_message , 2000 , 0)) > 0 )
    {
        //Send the message back to client
        write(client_sock , client_message , strlen(client_message));
    }
     
    if(read_size == 0)
    {
        puts("Client disconnected");
        fflush(stdout);
    }
    else if(read_size == -1)
    {
        perror("recv failed");
    }
     
    return 0;
}

客户端:

/*
    C ECHO client example using sockets
*/
#include<stdio.h> //printf
#include<string.h>    //strlen
#include<sys/socket.h>    //socket
#include<arpa/inet.h> //inet_addr
 
int main(int argc , char *argv[])
{
    int sock;
    struct sockaddr_in server;
    char message[1000] , server_reply[2000];
     
    //Create socket
    sock = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);
    if (sock == -1)
    {
        printf("Could not create socket");
    }
    puts("Socket created");
     
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons( 8888 );
 
    //Connect to remote server
    if (connect(sock , (struct sockaddr *)&server , sizeof(server)) < 0)
    {
        perror("connect failed. Error");
        return 1;
    }
     
    puts("Connected\n");
     
    //keep communicating with server
    while(1)
    {
        printf("Enter message : ");
        scanf("%s" , message);
         
        //Send some data
        if( send(sock , message , strlen(message) , 0) < 0)
        {
            puts("Send failed");
            return 1;
        }
         
        //Receive a reply from the server
        if( recv(sock , server_reply , 2000 , 0) < 0)
        {
            puts("recv failed");
            break;
        }
         
        puts("Server reply :");
        puts(server_reply);
    }
     
    close(sock);
    return 0;
}

 

 

 基于多线程的多用户服务器:

/*
    C socket server example, handles multiple clients using threads
*/
 
#include<stdio.h>
#include<string.h>    //strlen
#include<stdlib.h>    //strlen
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h> //inet_addr
#include<unistd.h>    //write
#include<pthread.h> //for threading , link with lpthread
 
//the thread function
void *connection_handler(void *);
 
int main(int argc , char *argv[])
{
    int socket_desc , client_sock , c , *new_sock;
    struct sockaddr_in server , client;
     
    //Create socket
    socket_desc = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);
    if (socket_desc == -1)
    {
        printf("Could not create socket");
    }
    puts("Socket created");
     
    //Prepare the sockaddr_in structure
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server.sin_port = htons( 8888 );
     
    //Bind
    if( bind(socket_desc,(struct sockaddr *)&server , sizeof(server)) < 0)
    {
        //print the error message
        perror("bind failed. Error");
        return 1;
    }
    puts("bind done");
     
    //Listen
    listen(socket_desc , 3);
     
    //Accept and incoming connection
    puts("Waiting for incoming connections...");
    c = sizeof(struct sockaddr_in);
     
     
    //Accept and incoming connection
    puts("Waiting for incoming connections...");
    c = sizeof(struct sockaddr_in);
    while( (client_sock = accept(socket_desc, (struct sockaddr *)&client, (socklen_t*)&c)) )
    {
        puts("Connection accepted");
         
        pthread_t sniffer_thread;
        new_sock = malloc(1);
        *new_sock = client_sock;
         
        if( pthread_create( &sniffer_thread , NULL ,  connection_handler , (void*) new_sock) < 0)
        {
            perror("could not create thread");
            return 1;
        }
         
        //Now join the thread , so that we dont terminate before the thread
        //pthread_join( sniffer_thread , NULL);
        puts("Handler assigned");
    }
     
    if (client_sock < 0)
    {
        perror("accept failed");
        return 1;
    }
     
    return 0;
}
 
/*
 * This will handle connection for each client
 * */
void *connection_handler(void *socket_desc)
{
    //Get the socket descriptor
    int sock = *(int*)socket_desc;
    int read_size;
    char *message , client_message[2000];
     
    //Send some messages to the client
    message = "Greetings! I am your connection handler\n";
    write(sock , message , strlen(message));
     
    message = "Now type something and i shall repeat what you type \n";
    write(sock , message , strlen(message));
     
    //Receive a message from client
    while( (read_size = recv(sock , client_message , 2000 , 0)) > 0 )
    {
        //Send the message back to client
        write(sock , client_message , strlen(client_message));
    }
     
    if(read_size == 0)
    {
        puts("Client disconnected");
        fflush(stdout);
    }
    else if(read_size == -1)
    {
        perror("recv failed");
    }
         
    //Free the socket pointer
    free(socket_desc);
     
    return 0;
}

 注意:Linux下多线程编译如果报错,请加参数 -lpthread 。

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