Socket通讯原理

时间  2019-11-06
标签 socket 通讯 原理 栏目 系统网络 繁體版
原文   原文链接

    对TCP/IP、UDP、Socket编程这些词你不会很陌生吧？随着网络技术的发展，这些词充斥着咱们的耳朵。那么我想问：

1.         什么是TCP/IP、UDP？
2.         Socket在哪里呢？
3.         Socket是什么呢？
4.         你会使用它们吗？

什么是TCP/IP、UDP？web

         TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
         UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
        这里有一张图，代表了这些协议的关系。

                                                                               

                                                                        图1编程

       TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。如今你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。
Socket在哪里呢？
       在图1中，咱们没有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？仍是用图来讲话，一目了然。设计模式



图2浏览器

       原来Socket在这里。
Socket是什么呢？
       Socket是应用层与TCP/IP协议族通讯的中间软件抽象层，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，对用户来讲，一组简单的接口就是所有，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。
你会使用它们吗？
       前人已经给咱们作了好多的事了，网络间的通讯也就简单了许多，但毕竟仍是有挺多工做要作的。之前听到Socket编程，以为它是比较高深的编程知识，可是只要弄清Socket编程的工做原理，神秘的面纱也就揭开了。
       一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就创建起了链接，就能够讲话了。等交流结束，挂断电话结束这次交谈。    生活中的场景就解释了这工做原理，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不必定。服务器

      

图3网络

       先从服务器端提及。服务器端先初始化Socket，而后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端链接。在这时若是有个客户端初始化一个Socket，而后链接服务器(connect)，若是链接成功，这时客户端与服务器端的链接就创建了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，而后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭链接，一次交互结束。dom

============================================socket

咱们深谙信息交流的价值，那网络中进程之间如何通讯，如咱们天天打开浏览器浏览网页 时，浏览器的进程怎么与web服务器通讯的？当你用QQ聊天时，QQ进程怎么与服务器或你好友所在的QQ进程通讯？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。本文的主要内容以下：tcp

  • 一、网络中进程之间如何通讯？
  • 二、Socket是什么？
  • 三、socket的基本操做
    • 3.一、socket()函数
    • 3.二、bind()函数
    • 3.三、listen()、connect()函数
    • 3.四、accept()函数
    • 3.五、read()、write()函数等
    • 3.六、close()函数
  • 四、socket中TCP的三次握手创建链接详解
  • 五、socket中TCP的四次握手释放链接详解
  • 六、一个例子

一、网络中进程之间如何通讯？

本地的进程间通讯（IPC）有不少种方式，但能够总结为下面4类：函数

  • 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
  • 同步（互斥量、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！咱们要讨论的是网络中进程之间如何通讯？首要解决的问题是如何惟一标识一个进程，不然通讯无从谈起！在本地能够经过进程PID来惟一标识一个进程，可是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮咱们解决了这个问题，网络层的“ip地址”能够惟一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”能够惟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，网络中的进程通讯就能够利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序一般采用应用编程接口：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讯。就目前而言，几乎全部的应用程序都是采用socket，而如今又是网络时代，网络中进程通讯是无处不在，这就是我为何说“一切皆socket”。

二、什么是Socket？

上面咱们已经知道网络中的进程是经过socket来通讯的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，均可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操做。个人理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket便是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操做（读/写IO、打开、关闭），这些函数咱们在后面进行介绍。

socket一词的起源

在组网领域的首次使用是在1970年2月12日发布的文献IETF RFC33中发现的，撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根据美国计算机历史博物馆的记载，Croker写道：“命名空间的元素均可称为套接字接口。一个套接字接口构成一个链接的一端，而一个链接可彻底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。”

三、socket的基本操做

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操做对应的函数接口。下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。

3.一、socket()函数

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

socket函数对应于普通文件的打开操做。普通文件的打开操做返回一个文件描述字，而socket()用于建立一个socket描述符（socket descriptor），它惟一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字同样，后续的操做都有用到它，把它做为参数，经过它来进行一些读写操做。

正如能够给fopen的传入不一样参数值，以打开不一样的文件。建立socket的时候，也能够指定不一样的参数建立不一样的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

  • 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，在通讯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做为地址。
  • 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：并非上面的type和protocol能够随意组合的，如SOCK_STREAM不能够跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当咱们调用socket建立一个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。若是想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，不然就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

3.二、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，它是经过socket()函数建立了，惟一标识一个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。这个地址结构根据地址建立socket时的地址协议族的不一样而不一样，如ipv4对应的是：
     
    struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; in_port_t sin_port; struct in_addr sin_addr; }; struct in_addr { uint32_t s_addr; };
    ipv6对应的是：
     
    struct sockaddr_in6 { sa_family_t sin6_family; in_port_t sin6_port; uint32_t sin6_flowinfo; struct in6_addr sin6_addr; uint32_t sin6_scope_id; }; struct in6_addr { unsigned char s6_addr[16]; };
    Unix域对应的是：
     
    #define UNIX_PATH_MAX 108 struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; };
  • addrlen：对应的是地址的长度。

一般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，客户就能够经过它来接连服务器；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。这就是为何一般服务器端在listen以前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

网络字节序与主机字节序

主机字节序就是咱们日常说的大端和小端模式：不一样的CPU有不一样的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫作主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义以下：

　　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值如下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，而后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称做大端字节序。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种次序，所以它又称做网络字节序。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。

因此： 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同样使用的是Big-Endian。因为 这个问题曾引起过血案！公司项目代码中因为存在这个问题，致使了不少莫名其妙的问题，因此请谨记对主机字节序不要作任何假定，务必将其转化为网络字节序再 赋给socket。

3.三、listen()、connect()函数

若是做为一个服务器，在调用socket()、bind()以后就会调用listen()来监听这个socket，若是客户端这时调用connect()发出链接请求，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能够排队的最大链接个数。socket()函数建立的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的链接请求。

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。客户端经过调用connect函数来创建与TCP服务器的链接。

3.四、accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()以后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()以后就想TCP服务器发送了一个链接请求。TCP服务器监听到这个请求以后，就会调用accept()函数取接收请求，这样链接就创建好了。以后就能够开始网络I/O操做了，即类同于普通文件的读写I/O操做。

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。若是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，表明与返回客户的TCP链接。

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函数返回的是已链接的socket描述字。一个服务器一般一般仅仅只建立一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每一个由服务器进程接受的客户链接建立了一个已链接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已链接socket描述字就被关闭。

3.五、read()、write()等函数

万事具有只欠东风，至此服务器与客户已经创建好链接了。能够调用网络I/O进行读写操做了，即实现了网咯中不一样进程之间的通讯！网络I/O操做有下面几组：

  • 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它函数都替换成这两个函数。它们的声明以下：

 #include ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); #include #include 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，若是返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。若是错误为EINTR说明读是由中断引发的，若是是ECONNREST表示网络链接出了问题。

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，当咱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 所有的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。咱们要根据错误类型来处理。若是错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。若是为EPIPE表示 网络链接出现了问题(对方已经关闭了链接)。

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。

3.六、close()函数

在服务器与客户端创建链接以后，会进行一些读写操做，完成了读写操做就要关闭相应的socket描述字，比如操做完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，而后当即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再做为read或write的第一个参数。

注意：close操做只是使相应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链接请求。

四、socket中TCP的三次握手创建链接详解

咱们知道tcp创建链接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大体流程以下：

  • 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，可是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

image

图一、socket中发送的TCP三次握手

从图中能够看出，当客户端调用connect时，触发了链接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到链接请求，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以后，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，链接创建。

总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

五、socket中TCP的四次握手释放链接详解

上面介绍了socket中TCP的三次握手创建过程，及其涉及的socket函数。如今咱们介绍socket中的四次握手释放链接的过程，请看下图：

image

图二、socket中发送的TCP四次握手

图示过程以下：

  • 某个应用进程首先调用close主动关闭链接，这时TCP发送一个FIN M；
  • 另外一端接收到FIN M以后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也做为文件结束符传递给应用进程，由于FIN的接收意味着应用进程在相应的链接上再也接收不到额外数据；
  • 一段时间以后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这致使它的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.下面给出实现的一个实例

 

首先，先给出实现的截图

 


 

服务器端代码以下：

 

 

 

  1. #include "InitSock.h"
  2. #include
  3. #include
  4. using namespace std;
  5. CInitSock initSock; // 初始化Winsock库
  6. int main()
  7. {
  8. // 建立套节字
  9. SOCKET sListen = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
  10. //用来指定套接字使用的地址格式，一般使用AF_INET
  11. //指定套接字的类型，如果SOCK_DGRAM，则用的是udp不可靠传输
  12. //配合type参数使用，指定使用的协议类型（当指定套接字类型后，能够设置为0，由于默认为UDP或TCP）
  13. if(sListen == INVALID_SOCKET)
  14. {
  15. printf("Failed socket() \n");
  16. return 0;
  17. }
  18. // 填充sockaddr_in结构 ,是个结构体
  19. sockaddr_in sin;
  20. sin.sin_family = AF_INET;
  21. sin.sin_port = htons(4567); //1024 ~ 49151：普通用户注册的端口号
  22. sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;
  23. // 绑定这个套节字到一个本地地址
  24. if(::bind(sListen, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
  25. {
  26. printf("Failed bind() \n");
  27. return 0;
  28. }
  29. // 进入监听模式
  30. //2指的是，监听队列中容许保持的还没有处理的最大链接数
  31. if(::listen(sListen, 2) == SOCKET_ERROR)
  32. {
  33. printf("Failed listen() \n");
  34. return 0;
  35. }
  36. // 循环接受客户的链接请求
  37. sockaddr_in remoteAddr;
  38. int nAddrLen = sizeof(remoteAddr);
  39. SOCKET sClient = 0;
  40. char szText[] = " TCP Server Demo! \r\n";
  41. while(sClient==0)
  42. {
  43. // 接受一个新链接
  44. //（(SOCKADDR*)&remoteAddr）一个指向sockaddr_in结构的指针，用于获取对方地址
  45. sClient = ::accept(sListen, (SOCKADDR*)&remoteAddr, &nAddrLen);
  46. if(sClient == INVALID_SOCKET)
  47. {
  48. printf("Failed accept()");
  49. }
  50. printf("接受到一个链接：%s \r\n", inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr));
  51. continue ;
  52. }
  53. while(TRUE)
  54. {
  55. // 向客户端发送数据
  56. gets(szText) ;
  57. ::send(sClient, szText, strlen(szText), 0);
  58. // 从客户端接收数据
  59. char buff[256] ;
  60. int nRecv = ::recv(sClient, buff, 256, 0);
  61. if(nRecv > 0)
  62. {
  63. buff[nRecv] = '\0';
  64. printf(" 接收到数据：%s\n", buff);
  65. }
  66. }
  67. // 关闭同客户端的链接
  68. ::closesocket(sClient);
  69. // 关闭监听套节字
  70. ::closesocket(sListen);
  71. return 0;
  72. }

 


客户端代码：

 

 

 

  1. #include "InitSock.h"
  2. #include
  3. #include
  4. using namespace std;
  5. CInitSock initSock; // 初始化Winsock库
  6. int main()
  7. {
  8. // 建立套节字
  9. SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
  10. if(s == INVALID_SOCKET)
  11. {
  12. printf(" Failed socket() \n");
  13. return 0;
  14. }
  15. // 也能够在这里调用bind函数绑定一个本地地址
  16. // 不然系统将会自动安排
  17. // 填写远程地址信息
  18. sockaddr_in servAddr;
  19. servAddr.sin_family = AF_INET;
  20. servAddr.sin_port = htons(4567);
  21. // 注意，这里要填写服务器程序（TCPServer程序）所在机器的IP地址
  22. // 若是你的计算机没有联网，直接使用127.0.0.1便可
  23. servAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  24. if(::connect(s, (sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)
  25. {
  26. printf(" Failed connect() \n");
  27. return 0;
  28. }
  29. char buff[256];
  30. char szText[256] ;
  31. while(TRUE)
  32. {
  33. //从服务器端接收数据
  34. int nRecv = ::recv(s, buff, 256, 0);
  35. if(nRecv > 0)
  36. {
  37. buff[nRecv] = '\0';
  38. printf("接收到数据：%s\n", buff);
  39. }
  40. // 向服务器端发送数据
  41. gets(szText) ;
  42. szText[255] = '\0';
  43. ::send(s, szText, strlen(szText), 0) ;
  44. }
  45. // 关闭套节字
  46. ::closesocket(s);
  47. return 0;
  48. }

 


封装的InitSock.h

 

 

 

  1. #include
  2. #include
  3. #include
  4. #include
  5. #pragma comment(lib, "WS2_32") // 连接到WS2_32.lib
  6. class CInitSock
  7. {
  8. public:
  9. CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2)
  10. {
  11. // 初始化WS2_32.dll
  12. WSADATA wsaData;
  13. WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer);
  14. if(::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0)
  15. {
  16. exit(0);
  17. }
  18. }
  19. ~CInitSock()
  20. {
  21. ::WSACleanup();
  22. }
  23. };
相关文章
相关标签/搜索
每日一句
    每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。
本站公众号
   欢迎关注本站公众号,获取更多信息
联系我们 最近搜索 最新文章 沪ICP备13005482号-10 MyBatis教程 SQL 教程 MySQL教程 Java 教程 Thymeleaf 教程 Hibernate教程 Spring教程 Redis教程