网络编程知识(2)--Socket理解

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TCP/IP

要想理解socket首先得熟悉一下TCP/IP协议族， TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，定义了主机如何连入因特网及数据如何再它们之间传输的标准，

从字面意思来看TCP/IP是TCP和IP协议的合称，但实际上TCP/IP协议是指因特网整个TCP/IP协议族。不同于ISO模型的七个分层，TCP/IP协议参考模型把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中

应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等

传输层：TCP，UDP

网络层：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP

数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU

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，看起来大概是这样子的

估计有兴趣打开此文的同学都对此有一定了解了，加上我也是一知半解，所以就不详细解释，有兴趣同学可以上网上搜一下资料

维基百科

百度百科

在TCP/IP协议中两个因特网主机通过两个路由器和对应的层连接。各主机上的应用通过一些数据通道相互执行读取操作

socket

我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程，在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程，但PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用ip地址＋协议＋端口号唯一标示网络中的一个进程。

能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了，什么是socket呢？我们经常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种”打开—读/写—关闭”模式的实现，服务器和客户端各自维护一个”文件”，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

socket通信流程

socket是”打开—读/写—关闭”模式的实现，以使用TCP协议通讯的socket为例，其交互流程大概是这样子的

服务器根据地址类型（ipv4,ipv6）、socket类型、协议创建socket

服务器为socket绑定ip地址和端口号

服务器socket监听端口号请求，随时准备接收客户端发来的连接，这时候服务器的socket并没有被打开

客户端创建socket

客户端打开socket，根据服务器ip地址和端口号试图连接服务器socket

服务器socket接收到客户端socket请求，被动打开，开始接收客户端请求，直到客户端返回连接信息。这时候socket进阻塞状态，所谓阻塞即accept()方法一直到客户端返回连接信息后才返回，开始接收下一个客户端谅解请求

客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息

服务器accept方法返回，连接成功

客户端向socket写入信息

服务器读取信息

客户端关闭

服务器端关闭

三次握手

在TCP/IP协议中，TCP协议通过三次握手建立一个可靠的连接

第一次握手：客户端尝试连接服务器，向服务器发送syn包（同步序列编号Synchronize Sequence Numbers），syn=j，客户端进入SYN_SEND状态等待服务器确认

第二次握手：服务器接收客户端syn包并确认（ack=j+1），同时向客户端发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态

第三次握手：第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

定睛一看，服务器socket与客户端socket建立连接的部分其实就是大名鼎鼎的三次握手

socket编程API

前面提到socket是”打开—读/写—关闭”模式的实现，简单了解一下socket提供了哪些API供应用程序使用，还是以TCP协议为例，看看Unix下的socket API，其它语言都很类似（PHP甚至名字都几乎一样），这里我就简单解释一下方法作用和参数，具体使用有兴趣同学可以看看博客参考中的链接或者上网搜索

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

根据指定的地址族、数据类型和协议来分配一个socket的描述字及其所用的资源。

domain:协议族，常用的有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL、AF_ROUTE其中AF_INET代表使用ipv4地址

type:socket类型，常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等

protocol:协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等

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

把一个地址族中的特定地址赋给socket

sockfd:socket描述字，也就是socket引用

addr:要绑定给sockfd的协议地址

addrlen: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。

int listen(int sockfd, int backlog);

监听socket

sockfd:要监听的socket描述字

backlog:相应socket可以排队的最大连接个数

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

连接某个socket

sockfd:客户端的socket描述字

addr:服务器的socket地址

addrlen:socket地址的长度

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

TCP服务器监听到客户端请求之后，调用accept()函数取接收请求

sockfd:服务器的socket描述字

addr:客户端的socket地址

addrlen:socket地址的长度

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

读取socket内容

fd:socket描述字

buf：缓冲区

count：缓冲区长度

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

向socket写入内容，其实就是发送内容

fd:socket描述字

buf：缓冲区

count：缓冲区长度

int close(int fd);

socket标记为以关闭 ，使相应socket描述字的引用计数-1，当引用计数为0的时候，触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

简单的例子

下面是接收数据和发送数据的函数：

服务器端：

import java.io.DataInputStream;  
import java.io.DataOutputStream;  
import java.io.IOException;  
import java.net.ServerSocket;  
import java.net.Socket;  
import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  

public class MyServer {  
    private ServerSocket serverSocket; //   
    private ExecutorService servicePool; // 线程池  

    public MyServer(int port) {  
        try {  
            this.serverSocket = new ServerSocket(port);  
            this.servicePool = Executors.newFixedThreadPool(5);  
        } catch (IOException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  

    public static void main(String[] args) {  
        new MyServer(6666).service();   
    }  

    public void service() {  
        int i = 0;  
        while (true) {  
            try {  
                Socket socket = this.serverSocket.accept(); // 接受到一个连接，并且返回一个客户端的Socket对象实例  
                this.servicePool.execute(new Handler(socket));  
                System.out  
                        .println("User " + i + " is connecting to the Server");  
                i++;  
            } catch (IOException e) {  
                e.printStackTrace();  
                this.servicePool.shutdown();  
            }  
        }  
    }  

    class Handler implements Runnable {  
        private Socket socket;  

        public Handler(Socket socket) {  
            this.socket = socket;  
        }  

        @Override  
        public void run() {  
            try {  
                // 一个输入流，用于获取客户端传来的内容  
                DataInputStream dis = new DataInputStream(  
                        this.socket.getInputStream());  
                // 用于产生服务器准备响应的内容  
                DataOutputStream dos = new DataOutputStream(this.socket.getOutputStream());  
                String str;  
                while (null != (str = dis.readUTF())) {  
                    System.out.println(str);  
                    if ("exit".equals(str)) {  
                        System.out.println("客户端发出中断请求");  
                        dos.writeUTF("服务器已经关闭本次连接.");  
                        dos.flush();  
//                      dos.writeUTF("exit"); //   
//                      dos.flush();  

                        dos.close();  
                        dis.close();  
                        break;  
                    }  
                }  

            } catch (IOException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
    }  
}  

客户端：

import java.io.BufferedReader;  
import java.io.DataInputStream;  
import java.io.DataOutputStream;  
import java.io.IOException;  
import java.io.InputStreamReader;  
import java.net.Socket;  

public class MyClient {  

    public static void main(String[] args) {  
        try {  
            Socket client = new Socket("localhost", 6666);  
            MyClient me = new MyClient();  
            new Thread(me.new Handler(client)).start();  
        } catch (IOException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  

    class Handler implements Runnable {  
        private BufferedReader br;  
        private DataOutputStream dos;  
        private DataInputStream dis;  
        private Socket socket;  
        private boolean flag = true; // 用于控制循环结束  

        public Handler(Socket s) throws IOException {  
            this.br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); // 用于从控制台接受输入的信息，再发送到服务器  
            this.socket = s;  
            this.dos = new DataOutputStream(this.socket.getOutputStream()); // 向服务器写数据的输出流  
            this.dis = new DataInputStream(this.socket.getInputStream()); // 获取服务器返回数据的输入流  
        }  

        @Override  
        public void run() {  
            while (flag) {  
                try {  
                    String str = br.readLine();  
                    if ("exit".equals(str)) { // 客户端终止发送信息标记 exit  
                        this.br.close();   
                        this.dos.writeUTF(str);  
                        this.dos.flush();  

                        String res = dis.readUTF();  
                        System.out.println(res);  

                        this.dis.close();  
                        this.dos.close();  
                        this.flag = false;  
                    } else {  
                        this.dos.writeUTF(str);// 每读一行就发送一行  
                        this.dos.flush();  
                    }  

                } catch (IOException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            }  
        }  
    }  
}  

最先考虑的是使用BufferedReader和BufferedWriter来完成双向数据的写入写出，但是发现BufferedWriter在fush()的时候并不能把从控制台得到的数据立即发送到服务端，就改用DataOutputStream数据流来完成双向数据传递。