Socket网络编程

1、关于使用套接字编程的一些基本概念

(a) 半相关与全相关

半相关

在网络中，用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程：

（协议，本地地址，本地端口号）

这样一个三元组，叫做一个半相关（half-association），它指定连接的每半部分。

全相关

一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议。也就是说，不可能通信的一端用TCP协议，而另一端用UDP协议。因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识：

（协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号）

这样一个五元组，叫做一个相关（association），即两个协议相同的半相关才能组合成一个合适的相关，或完全指定组成一连接。

(b) TCP/IP协议的地址结构为：

struct sockaddr_in{

short sin_family;            /*AF_INET*/

u_short sin_port;            /*16位端口号，网络字节顺序*/

struct in_addr sin_addr;   /*32位IP地址，网络字节顺序*/

char sin_zero[8];            /*保留*/

}

(c) 套接字类型

TCP/IP的socket提供下列三种类型套接字。

流式套接字（SOCK_STREAM）

提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地发送，且按发送顺序接收。内设流量控制，避免数据流超限；数据被看作是字节流，无长度限制。文件传送协议（FTP）即使用流式套接字。

数据报式套接字（SOCK_DGRAM）

提供了一个无连接服务。数据包以独立包形式被发送，不提供无错保证，数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。网络文件系统（NFS）使用数据报式套接字。

原始式套接字（SOCK_RAW）

该接口允许对较低层协议，如IP、ICMP直接访问。常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备。

(d) 基本套接字系统调用

为了更好地说明套接字编程原理，下面给出几个基本套接字系统调用说明。

(1) 创建套接字──socket()

应用程序在使用套接字前，首先必须拥有一个套接字，系统调用socket()向应用程序提供创建套接字的手段，其调用格式如下：

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

该调用要接收三个参数：af、type、protocol。参数af指定通信发生的区域，UNIX系统支持的地址族有：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中仅支持AF_INET，它是网际网区域。因此，地址族与协议族相同。参数type 描述要建立的套接字的类型。参数protocol说明该套接字使用的特定协议，如果调用者不希望特别指定使用的协议，则置为0，使用默认的连接模式。根据这三个参数建立一个套接字，并将相应的资源分配给它，同时返回一个整型套接字号。因此，socket()系统调用实际上指定了相关五元组中的“协议”这一元

(2) 指定本地地址──bind()

当一个套接字用socket()创建后，存在一个名字空间(地址族),但它没有被命名。bind()将套接字地址（包括本地主机地址和本地端口地址）与所创建的套接字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。其调用格式如下：

int bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

参数s是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符(套接字号)。参数name 是赋给套接字s的本地地址（名字），其长度可变，结构随通信域的不同而不同。namelen表明了name的长度。

如果没有错误发生，bind()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。

地址在建立套接字通信过程中起着重要作用，作为一个网络应用程序设计者对套接字地址结构必须有明确认识。

(3) 建立套接字连接──connect()与accept()

这两个系统调用用于完成一个完整相关的建立，其中connect()用于建立连接。无连接的套接字进程也可以调用connect()，但这时在进程之间没有实际的报文交换，调用将从本地操作系统直接返回。这样做的优点是程序员不必为每一数据指定目的地址，而且如果收到的一个数据报，其目的端口未与任何套接字建立“连接”，便能判断该端口不可操作。而accept()用于使服务器等待来自某客户进程的实际连接。

connect()的调用格式如下：

int connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

参数s是欲建立连接的本地套接字描述符。参数name指出说明对方套接字地址结构的指针。对方套接字地址长度由namelen说明。

如果没有错误发生，connect()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。在面向连接的协议中，该调用导致本地系统和外部系统之间连接实际建立。

由于地址族总被包含在套接字地址结构的前两个字节中，并通过socket()调用与某个协议族相关。因此bind()和connect()无须协议作为参数。

accept()的调用格式如下：

SOCKET accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);

参数s为本地套接字描述符，在用做accept()调用的参数前应该先调用过listen()。addr 指向客户方套接字地址结构的指针，用来接收连接实体的地址。addr的确切格式由套接字创建时建立的地址族决定。addrlen 为客户方套接字地址的长度（字节数）。如果没有错误发生，accept()返回一个SOCKET类型的值，表示接收到的套接字的描述符。否则返回值INVALID_SOCKET。

accept()用于面向连接服务器。参数addr和addrlen存放客户方的地址信息。调用前，参数addr 指向一个初始值为空的地址结构，而addrlen 的初始值为0；调用accept()后，服务器等待从编号为s的套接字上接受客户连接请求，而连接请求是由客户方的connect()调用发出的。当有连接请求到达时，accept()调用将请求连接队列上的第一个客户方套接字地址及长度放入addr 和addrlen，并创建一个与s有相同特性的新套接字号。新的套接字可用于处理服务器并发请求。

四个套接字系统调用，socket()、bind()、connect()、accept()，可以完成一个完全五元相关的建立。socket()指定五元组中的协议元，它的用法与是否为客户或服务器、是否面向连接无关。bind()指定五元组中的本地二元，即本地主机地址和端口号，其用法与是否面向连接有关：在服务器方，无论是否面向连接，均要调用bind()；在客户方，若采用面向连接，则可以不调用bind()，而通过connect()自动完成。若采用无连接，客户方必须使用bind()以获得一个唯一的地址。

以上讨论仅对客户/服务器模式而言，实际上套接字的使用是非常灵活的，唯一需遵循的原则是进程通信之前，必须建立完整的相关。

(4) 监听连接──listen()

此调用用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。listen()需在accept()之前调用，其调用格式如下：

int listen(SOCKET s, int backlog);

参数s标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号，服务器愿意从它上面接收请求。backlog表示请求连接队列的最大长度，用于限制排队请求的个数，目前允许的最大值为5。如果没有错误发生，listen()返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。

listen()在执行调用过程中可为没有调用过bind()的套接字s完成所必须的连接，并建立长度为backlog的请求连接队列。 

调用listen()是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。它在调用socket()分配一个流套接字，且调用bind()给s赋于一个名字之后调用，而且一定要在accept()之前调用。

(5) 数据传输──send()与recv()

当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有send()和recv()。

send()调用用于在参数s指定的已连接的数据报或流套接字上发送输出数据，格式如下：

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

参数s为已连接的本地套接字描述符。buf 指向存有发送数据的缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否发送带外数据等。如果没有错误发生，send()返回总共发送的字节数。否则它返回SOCKET_ERROR。

recv()调用用于在参数s指定的已连接的数据报或流套接字上接收输入数据，格式如下：

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

参数s 为已连接的套接字描述符。buf指向接收输入数据缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否接收带外数据等。如果没有错误发生，recv()返回总共接收的字节数。如果连接被关闭，返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。

(6) 输入/输出多路复用──select()

select()调用用来检测一个或多个套接字的状态。对每一个套接字来说，这个调用可以请求读、写或错误状态方面的信息。请求给定状态的套接字集合由一个fd_set结构指示。在返回时，此结构被更新，以反映那些满足特定条件的套接字的子集，同时， select()调用返回满足条件的套接字的数目，其调用格式如下：

int select(int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout);

参数nfds指明被检查的套接字描述符的值域，此变量一般被忽略。

参数readfds指向要做读检测的套接字描述符集合的指针，调用者希望从中读取数据。参数writefds 指向要做写检测的套接字描述符集合的指针。exceptfds指向要检测是否出错的套接字描述符集合的指针。timeout指向select()函数等待的最大时间，如果设为NULL则为阻塞操作。select()返回包含在fd_set结构中已准备好的套接字描述符的总数目，或者是发生错误则返回SOCKET_ERROR。

(7) 关闭套接字──closesocket()

closesocket()关闭套接字s，并释放分配给该套接字的资源；如果s涉及一个打开的TCP连接，则该连接被释放。closesocket()的调用格式如下：

BOOL closesocket(SOCKET s);

参数s待关闭的套接字描述符。如果没有错误发生，closesocket()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。

2、用于无连接协议（如UDP）的SOCKET系统调用流程框图：

3、源代码

（1）服务器端程序

#include
#include
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib") 
#define  SERV_UDP_PORT 9000           /*·þÎñÆ÷½ø³Ì¶Ë¿ÚºÅ£¬ÊÓ¾ßÌåÇé¿ö¶ø¶¨*/
#define  SERV_HOST_ADDR INADDR_ANY    /*·þÎñÔ±µØÖ·£¬ÊÓ¾ßÌåÇé¿ö¶ø¶¨*/
/*ºê¶¨ÒåÓÃÀ´´òÓ¡´íÎóÏûÏ¢*/
#define PRINTERROR(s) \
fprintf(stderr,"\n%: %d\n", s, WSAGetLastError())
////////////////////////////////////////////////////////////
//Êý¾Ý±¨Í¨ÐŵķþÎñÆ÷¶Ë×Ó³ÌÐò                  //
////////////////////////////////////////////////////////////
void DatagramServer(short nPort)
{
SOCKET theSocket;
/*´´½¨Ò»¸öÊý¾Ý±¨ÀàÐ͵Äsocket*/
theSocket = socket(AF_INET,     // µØÖ·×å
SOCK_DGRAM,   // socketÀàÐÍ £¬Êý¾Ý±¨Ê½Ì×½Ó×Ö
IPPROTO_UDP);  // ЭÒéÀàÐÍ£ºUDP
/*´íÎó´¦Àí*/
if(theSocket == INVALID_SOCKET)
{
PRINTERROR("socket()");
return;
}
/*Ìîд·þÎñÆ÷µØÖ·½á¹¹*/
SOCKADDR_IN saServer;
saServer.sin_family = AF_INET;         //family of the address
saServer.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; //ÓÉWinSockÖ¸¶¨µØÖ·//¶àѨÖ÷»ú£¨¼´Óжà¸öÍøÂçÁ¬½Ó£©
saServer.sin_port = htons(nPort);     //·þÎñÆ÷½ø³Ì¶Ë¿ÚºÅ£¬Ö÷»ú×Ö½Ú˳Ðòת»¯ÎªÍøÂç×Ö½Ú˳Ðò
/*½«·þÎñÆ÷µØÖ·ÓëÒÑ´´½¨µÄsocket°ó¶¨*/
int nRet;
nRet = bind(theSocket,// Socket ÃèÊö·û
(LPSOCKADDR)&saServer,  // ·þÎñÆ÷µØÖ·//typedef struct sockaddr FAR *LPSOCKADDR;
sizeof(struct sockaddr) );//µØÖ·³¤¶È
/*´íÎó´¦Àí*/
if(nRet == SOCKET_ERROR)
{
PRINTERROR("bind()");
closesocket(theSocket);
return;
}
/*µÈ´ýÀ´×Ô¿Í»§¶ËµÄÊý¾Ý*/
SOCKADDR_IN saClient;
    int nLen = sizeof(saClient);
char szBuf[1024];
    printf("Æô¶¯·þÎñÆ÷\n");
while(1)
{
   /*×¼±¸½ÓÊÕÊý¾Ý*/
memset(szBuf, 0, sizeof(szBuf));    //Êý×észBufÈ«²¿ÖµÎª0
recvfrom(theSocket,// ÒѰ󶨵Äsocket
szBuf, // ½ÓÊÕ»º³åÇø
sizeof(szBuf),// »º³åÇø´óС
0, // Flags
(LPSOCKADDR)&saClient,// ½ÓÊÕ¿Í»§¶ËµØÖ·µÄ»º³åÇø
&nLen); // µØÖ·»º³åÇøµÄ³¤¶È
/*´òÓ¡½ÓÊÕµ½µÄÐÅÏ¢*/
printf("½ÓÊÕµ½À´×Ô%sµÄÏûÏ¢:%s\n",inet_ntoa(saClient.sin_addr),szBuf);
//char FAR * inet_ntoa( struct in_addr in);½«Ò»¸öIPת»»³ÉÒ»¸ö»¥ÁªÍø±ê×¼µã·Ö¸ñʽµÄ×Ö·û´®
/*·¢ËÍÊý¾Ý¸ø¿Í»§¶Ë*/
memset(szBuf, 0, sizeof(szBuf));    //Êý×észBufÈ«²¿ÖµÎª0
    strcpy(szBuf, "ÎÒÊÇ·þÎñÆ÷£¬ÎÒÊÕµ½ÁËÄãµÄÐÅÏ¢!");
sendto(theSocket,// ÒѰ󶨵Äsocket
szBuf, // ·¢ËÍ»º³åÇø
strlen(szBuf),// ·¢ËÍÊý¾ÝµÄ³¤¶È
0, // Flags
(LPSOCKADDR)&saClient,// Ä¿µÄµØÖ·
nLen); // µØÖ·³¤¶È
}
  closesocket(theSocket);
return;
}
////////////////////////////////////////////////////////////
//Êý¾Ý±¨·þÎñÔ±¶ËÖ÷³ÌÐò                        //
////////////////////////////////////////////////////////////
void main()
{
WORD wVersionRequested = MAKEWORD(1,1);
WSADATA wsaData;
int nRet;
short nPort;
nPort = SERV_UDP_PORT;
/* ³õʼ»¯Winsock*/
nRet = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
if (wsaData.wVersion != wVersionRequested)
{
fprintf(stderr,"\n Wrong version\n");
return;
}
/*µ÷ÓÃÊý¾Ý·þÎñÔ±×Ó³ÌÐò*/
DatagramServer(nPort);
/*½áÊøWinSock*/
WSACleanup();
}

（2）客户端程序

#include
#include
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#define  SERV_UDP_PORT 9000             /*·þÎñÔ±½ø³Ì¶Ë¿ÚºÅ£¬ÊÓ¾ßÌåÇé¿ö¶ø¶¨*/
#define  SERV_HOST_ADDR "192.168.10.5"   /*·þÎñÔ±µØÖ·£¬ÊÓ¾ßÌåÇé¿ö¶ø¶¨*/
#define  CLIENT_HOST_ADDR "192.168.10.5"   /*·þÎñÔ±µØÖ·£¬ÊÓ¾ßÌåÇé¿ö¶ø¶¨*/
/* ºê¶¨ÒåÓÃÀ´´òÓ¡´íÎóÏûÏ¢*/
#define PRINTERROR(s) \
fprintf(stderr,"\n%: %d\n", s, WSAGetLastError())
void DatagramClient()
{
SOCKET theSocket;
/*´´½¨Ò»¸öÊý¾Ý±¨ÀàÐ͵Äsocket*/
theSocket = socket(AF_INET,// µØÖ·×å
SOCK_DGRAM,     // socketÀàÐÍ
IPPROTO_UDP);   // ЭÒéÀàÐÍ£ºUDP
if (theSocket == INVALID_SOCKET)
{
PRINTERROR("socket()");
return;
}
SOCKADDR_IN saServer; //·þÎñ¶ËµÄµØÖ·
saServer.sin_family = AF_INET;
saServer.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERV_HOST_ADDR);  //Ö¸¶¨·þÎñÆ÷µØÖ·
saServer.sin_port = htons(SERV_UDP_PORT);             //Ö¸¶¨·þÎñÆ÷¶Ë¿ÚºÅ


SOCKADDR_IN saClient; //±¾»úµØÖ·
saClient.sin_family = AF_INET;
saClient.sin_addr.s_addr = inet_addr(CLIENT_HOST_ADDR);  //Ö¸¶¨¿Í»§¶ËµØÖ·
/*½«·þÎñÆ÷µØÖ·ÓëÒÑ´´½¨µÄsocket°ó¶¨*/
int nRet;
nRet = bind(theSocket,// Socket ÃèÊö·û
(LPSOCKADDR)&saClient,  // ·þÎñÆ÷µØÖ·//typedef struct sockaddr FAR *LPSOCKADDR;
sizeof(struct sockaddr) );//µØÖ·³¤¶È
/*´íÎó´¦Àí*/
if(nRet == SOCKET_ERROR)
{
PRINTERROR("bind()");
closesocket(theSocket);
return;
}

    int nLen = sizeof(saServer);
char szBuf[1024];
//int count = 1;
char x;
printf("Çë°´»Ø³µ·¢ËÍÊý¾Ý:");
while(gets(&x))
{
memset(szBuf, 0, sizeof(szBuf));    //Êý×észBufÈ«²¿ÖµÎª0
    /*ÏòÄ¿±ê·¢ËÍÊý¾Ý*/
strcpy(szBuf, "ÎÒÊÇ¿Í»§¶Ë£¬ÊÕµ½ÁËÂð£¿");
sendto(theSocket,// ÒѰ󶨵Äsocket
szBuf, // ·¢ËÍ»º³åÇø
strlen(szBuf),// ·¢ËÍÊý¾ÝµÄ³¤¶È
0, // Flags
(LPSOCKADDR)&saServer,// Ä¿µÄµØÖ·
sizeof(struct sockaddr));// µØÖ·³¤¶È
memset(szBuf, 0, sizeof(szBuf));    //Êý×észBufÈ«²¿ÖµÎª0
/*½ÓÊÜ·þÎñÆ÷µÄ»ØËÍÊý¾Ý*/
recvfrom(theSocket,// ÒѰ󶨵Äsocket
szBuf, // ½ÓÊÕ»º³åÇø
sizeof(szBuf),// »º³åÇø´óС
0, // Flags
(LPSOCKADDR)&saServer,// ½ÓÊÕ·þÎñÆ÷µØÖ·µÄ»º³åÇø
&nLen); // µØÖ·»º³åÇøµÄ³¤¶È
/*´òÓ¡½ÓÊÕµ½µÄÐÅÏ¢*/
printf("½ÓÊÕµ½%sµÄÏìÓ¦ÐÅÏ¢:%s\n",inet_ntoa(saServer.sin_addr),szBuf);
printf("¼ÌÐø·¢ËÍÊý¾Ý£¬Çë°´»Ø³µ:");
}
closesocket(theSocket);
}
void main()
{
WORD wVersionRequested = MAKEWORD(1,1);
WSADATA wsaData;
int nRet;
/* ³õʼ»¯Winsock*/
nRet = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
if (wsaData.wVersion != wVersionRequested)
{
fprintf(stderr,"\n Wrong version\n");
return;
}
/*µ÷Óÿͻ§¶Ë×Ó³ÌÐò*/
DatagramClient();
/*½áÊøWinSock*/
WSACleanup();
}

4、程序运行

（1）服务器端程序运行窗口如下：

（2）客户端程序运行窗口如下：