socket 编程

 

一、网络中的进程通信需要什么条件？

    上图表示了TCP/IP协议参考模型， 每一抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务。

    如果网络中的两个进程需要通信那么需要什么条件呢，首先，需要知道主机的IP地址；

    其次，确定使用何种通信协议；最后，需要对方的端口。具备这三样条件，网络中的两个进程就可以发起通信了。

 

二、什么是socket？

    网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换，这个连接的一端称为一个socket。

    建立网络通信连接至少要一对端口号(socket)。socket本质是编程接口(API)，对TCP/IP的封装，

    TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口； 

 

    TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层，而socket所在位置如图，Socket是应用层与TCP/IP

    协议族通信的中间软件抽象层。如下图所示：

 

三、socket API介绍：

1、首先介绍如下基本概念：

（1）socket描述符：

    其实就是一个整数，套接字API最初是作为UNIX操作系统的一部分而开发的，所以套接字API与系统的其他I/O设备集成在一起。

    特别是，当应用程序要为因特网通信而创建一个套接字（socket）时，操作系统就返回一个小整数作为描述符（descriptor）来

    标识这个套接字。然后，应用程序以该描述符作为传递参数，通过调用函数来完成某种操作（例如通过网络传送数据或接收输入的数据）。

    当应用程序要创建一个套接字时，操作系统就返回一个小整数作为描述符，应用程序则使用这个描述符来引用该套接字需要I/O请求的

    应用程序请求操作系统打开一个文件。操作系统就创建一个文件描述符提供给应用程序访问文件。从应用程序的角度看，文件描述符是

    一个整数，应用程序可以用它来读写文件。下图显示，操作系统如何把文件描述符实现为一个指针数组，这些指针指向内部数据结构。

   

 

    对于每个程序系统都有一张单独的表。精确地讲，系统为每个运行的进程维护一张单独的文件描述符表。当进程打开一个文件时，

    系统把一个指向此文件内部数据结构的指针写入文件描述符表，并把该表的索引值返回给调用者 。应用程序只需记住这个描述符，并在以后操作该

    文件时使用它。操作系统把该描述符作为索引访问进程描述符表，通过指针找到保存该文件所有的信息的数据结构套接字API里有个函数socket，

    它就是用来创建一个套接字。套接字设计的总体思路是，单个系统调用就可以创建任何套接字，因为套接字是相当笼统的。一旦套接字创建后，

    应用程序还需要调用其他函数来指定具体细节。例如调用socket将创建一个新的描述符条目。

   


    虽然套接字的内部数据结构包含很多字段，但是系统创建套接字后，大多数字字段没有填写。应用程序创建套接字后在该套接字可以使用之前，
    必须调用其他的过程来填充这些字段。

 

2、API介绍：

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

    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。

    (1)domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。

    (2)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。

    (3)type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。

    (4)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。

    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。

     

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

    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。

    函数的三个参数分别为：

    (1)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。

　　 (2)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创建socket时的地址协议族的不同而不同，如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 */ 
};

    (3)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

   网络字节序与主机字节序：

   主机字节序就是我们平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：

　　 (1) 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。

　　 (2)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值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。

    由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，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，一个字节的数据没有顺序的问题了。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。

  

    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。


    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。

    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。


     socket的read和write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：

    (1)read()/write()

    (2)recv()/send()

    (3)readv()/writev()

    (4)recvmsg()/sendmsg()

    (5)recvfrom()/sendto()



    #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)。


 

    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。


 



   四、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：


    (1)客户端向服务器发送一个SYN J


    (2)服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1


    (3)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。




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：


   （1）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；


   （2）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；


   （3）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；


   （4）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。






参考资料：https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7445768/


      https://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html











            

            
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2019-06-15 14:15 
-Robot- 
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