Socket编程随笔

什么是Socket

Socket是进程通讯的一种方式，即调用这个网络库的一些API函数实现分布在不同主机的相关进程之间的数据交换。
Socket是一门技术，由于现在是面向对象的编程，一些计算机行业的大神通过抽象的理念，在现实中通过反复的理论或者实际的推导，提出了抽象的一些通信协议，基于tcp/ip协议，提出大致的构想，一些泛型的程序大牛在这个协议的基础上，将这些抽象化的理念接口化，针对协议提出的每个理念，专门的编写制定的接口，与其协议一一对应，形成了现在的socket标准规范，然后将其接口封装成可以调用的接口，供开发者使用。

目前，开发者开发出了很多封装的类来完善socket编程，都是更加方便的实现刚开始socket通信的各个环节，所以我们首先必须了解socket的通信原理，只有从本质上理解socket的通信，才可能快速方便的理解socket的各个环节，才能从底层上真正的把握。

相关术语解释

（1）IP地址：即依照TCP/IP协议分配给本地主机的网络地址，两个进程要通讯，任一进程首先要知道通讯对方的位置，即对方的IP。
（2）端口号：用来辨别本地通讯进程，一个本地的进程在通讯时均会占用一个端口号，不同的进程端口号不同，因此在通讯前必须要分配一个没有被访问的端口号。
（3）连接：指两个进程间的通讯链路。
（4）半相关：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,它指定连接的每半部分。
（4）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。

客户/服务器模式

在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器（Client/Server, C/S）模式，即客户向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。客户/服务器模式的建立基于以下两点：
（1）首先，建立网络的起因是网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等，需要共享，从而造就拥有众多资源的主机提供服务，资源较少的客户请求服务这一非对等作用。
（2）其次，网间进程通信完全是异步的，相互通信的进程间既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区，因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系，为二者的数据交换提供同步，这就是基于客户/服务器模式的TCP/IP。

服务器端：
其过程是首先服务器方要先启动，并根据请求提供相应服务：
（1）打开一通信通道并告知本地主机，它愿意在某一公认地址上的某端口（如FTP的端口可能为21）接收客户请求；
（2）等待客户请求到达该端口；
（3）接收到客户端的服务请求时，处理该请求并发送应答信号。接收到并发服务请求，要激活一新进程来处理这个客户请求（如UNIX系统中用fork、exec）。新进程处理此客户请求，并不需要对其它请求作出应答。服务完成后，关闭此新进程与客户的通信链路，并终止。
（4）返回第（2）步，等待另一客户请求。
（5）关闭服务器

客户端：
（1）打开一通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口；
（2）向服务器发服务请求报文，等待并接收应答；继续提出请求......
（3）请求结束后关闭通信通道并终止。

从上面所描述过程可知：
（1）客户与服务器进程的作用是非对称的，因此代码不同。
（2）服务器进程一般是先启动的。只要系统运行，该服务进程一直存在，直到正常或强迫终止。

网络体系结构

协议：控制网络中信息的发送和接收。定义了通信实体之间交换报文的格式和次序，以及在报文传输或接收或其他事件所采取的动作。

一般把网络的层次结构和每层所使用协议的集合称为网络体系结构(NetworkArchitecture)。

由国际标准化组织ISO 在1981年提出的网络分层结构，简称为OSI参考模型。(Open Systems Interconnection Reference Model)。

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各层协议如下，可以看出TCP和UDP协议在传输层。

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各层功能

1）链路层

链路层的功能：是把接收到的网络层数据报（也 称IP数据报）通过该层的物理接口发送到传输介质上，或从物理网络上接收数据帧，抽出IP数据报并交给IP层。

链路层通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。

2）网络层

主要功能：是可以把源主机上的分组发送到互联网中的任何一台目标主机上。

3）传输层

为运行在不同主机上的应用进程提供逻辑通信功能（主机好像是直接相连的）。

进程之间使用逻辑通信功能彼此发送报文，无需考虑具体物理链路。

传输层主要包括种协议：传输控制协议（TCP），用户数据报协议（UDP）。

4）应用层

应用层向使用网络的用户提供特定的、常用的应用程序。

表示层：通信用户之间数据格式的转换、数据压缩及加解密等。

会话层：对数据传输进行管理，包括数据交换的定界、同步，建立检查点等。

套接字

套接字是从网络向进程传递数据，或从进程向网络传递数据的门户。传输层和应用层的进程通过套接字来传递数据。
主机上的套接字可以有多个，每个套接字都有惟一的标识符（格式取决于UDP或TCP）。
当报文段到达主机时，运输层检查报文段中的目的端口号，将其定向到相应的套接字。

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用户数据报协议UDP

用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）：提供用户之间的不可靠、无连接的报文传输服。使用UDP协议的原因

1）无连接创建（减少时延）

2）简单：无连接（在UDP发送方和接收方之间无握手）

3）段首部小

4）无拥塞控制: UDP能够尽可能快地传输

经UDP的可靠传输 : 在应用层增加可靠性，实现特定的差错恢复！

传输控制协议TCP

传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）：提供用户之间可靠的、面向连接的报文传输服务。

面向连接、可靠的服务是指在进行数据交换前，初始化发送方与接收方状态，进行握手（交换控制信息）。

建立一个TCP 连接的作用：让发送方和接收方都做好准备，准备好之后就要开始进行数据传输了。三次握手建立TCP连接

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三次握手的目的主要在于同步连接双方发送数据的初始序列号。

TCP 连接是一种全双工的连接，即一个TCP 连接的两个端点之间可以同时发送和接收数据，而不是每一个时刻只能有一个端点发送数据。

TCP与UDP的比较

TCP 是一种面向连接的协议，而UDP 是无连接的协议。
TCP 提供的是可靠的传输服务，而UDP 协议提供的是不可靠的服务。
TCP 提供的是面向字节流的服务。
UDP 协议的传输单位是数据块，一个数据块只能封装在一个UDP 数据包中。

解释：

1）可靠、连接

UDP不可靠、无连接：在UDP发送方和接收方之间无握手（交换控制信息）。

面向连接举例：两个人之间通过电话进行通信;

面向无连接举例：邮政服务，用户把信函放在邮件中期待邮政处理流程来传递邮政包裹。显然，不可达代表不可靠。

2）TCP面向字节流和UDP面向数据块（面向报文）

面向报文的传输方式是应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。若报文太长，则IP层需要分片，降低效率。若太短，会使IP太小。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。这也就是说，应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文。
面向字节流的话，虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块（大小不等），但TCP把应用程序看成是一连串的无结构的字节流。TCP有一个缓冲，当应用程序传送的数据块太长，TCP就可以把它划分短一些再传送。如果应用程序一次只发送一个字节，TCP也可以等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。

TCP 协议与UDP协议应用的比较
TCP 协议对于有大量数据需要进行可靠传输的应用是很适合的。比如可用于文件传输协议（FTP ）。
对于虽然数据量少但需要时间较长且可靠性要求高的应用TCP 也是比较适合的。 Telnet 就是这种应用的一个例子。
实时应用适合使用UDP 协议。
对于多个实体间的多播式应用无法使用TCP 进行通信 。

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从程序实现的角度，TCP与UDP的过程如下

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从上图也能清晰的看出，TCP通信需要服务器端侦听listen、接收客户端连接请求accept，等待客户端connect建立连接后才能进行数据包的收发（recv/send）工作。而UDP则服务器和客户端的概念不明显，服务器端即接收端需要绑定端口，等待客户端的数据的到来。后续便可以进行数据的收发（recvfrom/sendto）工作。

JAVA实现Socket网络编程

在JAVA中TCP套接字由Socket类实现，UDP套接字由DatagramSocket类实现。

TCP的JAVA代码大致如下

TCP网络编程步骤
1）创建Socket
2）打开连接到socket的输入、输出流
3）按照一定的协议对socket进行读、写操作（接收消息-处理数据-发送消息）
4）关闭socket

服务端代码

public static start(){
        ServerSocket serverSocket=null;
        try {       
            int i=1;
            
            //1、创建TCP套接字
            int maxConnection="10";   //最大连接数
            serverSocket = new java.net.ServerSocket(8189,maxConnection);       
            
            //等待连接
            Socket sct=serverSocket.accept();
            
            //输入输出流
            InputStream inStream = clientSocket.getInputStream();
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(inStream));
        
            OutputStream outStream = clientSocket.getOutputStream();
            BufferedWriter out = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(outStream));
            
            //接收消息-处理数据-发送消息
            //接收客户端消息
            String response="",lineStr = in.readLine();
            while(lineStr!=null){
              response += lineStr;
              lineStr = in.readLine();
           }//end while
           
           //TODO 处理消息等及其动作
        
          //向客户端发送信息（output-write）
          out.wirte("TODO"); 
        } 
        catch (Exception e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            if(serverSocket!=null)   //关闭套接字
              serverSocket.close();
        }
    }//end start()

客户端代码与服务端代码类似，只不过服务端对客户端的请求是accept，而客户端需要连接服务端，所以使用connect方法，如下:

public static start(){
        ServerSocket serverSocket=null;
        try {       
            int i=1;
            
            ////打开套接字
           Socket clientSocket = new Socket(String serverMachineIp, int port);
           int timeout=1000;             
           clientSocket.connect(sa, timeout);   
            
            //输入输出流
            InputStream inStream = clientSocket.getInputStream();
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(inStream));
        
            OutputStream outStream = clientSocket.getOutputStream();
            BufferedWriter out = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(outStream));
            
            //接收消息-处理数据-发送消息
            /向客户端发送信息（output-write）
            out.wirte("TODO"); 
            
            //TODO 处理消息等及其动作
            
            //返回服务端的消息
            String response="",lineStr = in.readLine();
            while(lineStr!=null){
              response += lineStr;
              lineStr = in.readLine();
           }//end while 
        } 
        catch (Exception e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            if(serverSocket!=null)   //关闭套接字
              serverSocket.close();
        }
    }//end start()

UDP的JAVA代码

服务端代码:

public class ServerDatagramSocket 
{
    
    public static void main(String[] args) 
    {
        try
        {
            //1创建套接字，监听某个端口
            DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10010);
            
            //2接收数据
            //构造缓冲数组,用于存放接收到的数据(要求该长度必须大于或等于接收到的数据长度)
            byte[] data=new byte[1024];
            //构造数据包对象
            DatagramPacket receiveDp=new DatagramPacket(data, data.length);
            //接收数据
            ds.receive(receiveDp); 
            //输出接收到的数据内容
            byte[] receiveByte=receiveDp.getData();
            String receiveContent=new String(receiveByte,0,receiveByte.length);
            
            //3发送数据
            //准备数据
            //获得客户端的IP
            InetAddress clientIp=receiveDp.getAddress();
            //获得客户端的端口号
            int port=receiveDp.getPort();
            String sendContent="hello back";
            byte[] sendByte=sendContent.getBytes();
            
            DatagramPacket sendDp=new DatagramPacket(sendByte, sendByte.length, clientIp, port);
            
            ds.send(sendDp);            
        } 
        catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        }
        finally{
            //4关闭连接
            ds.close();
        }   
    } 
}

客户端代码

public static void main(String[] args) {
        
        try 
        {
            //1创建连接
            DatagramSocket ds=new DatagramSocket();
            
            //2发送数据
            //数据准备（数据内容+地址+端口号）
            String sendContent="hello";
            String host="127.0.0.1";
            int port=10001;
            //将发送的内容转换为字节数组
            byte[] sendByte=sendContent.getBytes();
            //将服务器IP转换为InetAddress对象
            InetAddress server=InetAddress.getByName(host);
            //构造发送的数据包对象
            DatagramPacket sendDp=new DatagramPacket(sendByte, sendByte.length, server, port);
            
            //发送数据
            ds.send(sendDp);
                    
            //3接收数据
            //构造缓冲数组,用于存放接收到的数据(要求该长度必须大于或等于接收到的数据长度)
            byte[] data=new byte[1024];
            //构造数据包对象
            DatagramPacket receiveDp=new DatagramPacket(data, data.length);
            //接收数据
            ds.receive(receiveDp);
            //输出数据内容
            byte[] receiveByte=receiveDp.getData();   //获得缓冲数组
            int len=receiveDp.getLength();   //获得有效数据长度
            String receiveContent=new String(receiveByte, 0, len);
            System.out.println(receiveContent); 
        } 
        catch (Exception e) 
        {
            // TODO: handle exception
        }
        finally{
            //4关闭连接
            ds.close();
        }
    }
}

socket的一些接口函数原理

第一次握手：客户端需要发送一个syn j 包，试着去链接服务器端，于是客户端我们需要提供一个链接函数

第二次握手：服务器端需要接收客户端发送过来的syn J+1 包，然后在发送ack包，所以我们需要有服务器端接受处理函数

第三次握手：客户端的处理函数和服务器端的处理函数

三次握手只是一个数据传输的过程，但是，我们传输前需要一些准备工作，比如将创建一个套接字，收集一些计算机的资源，将一些资源绑定套接字里面，以及接受和发送数据的函数等等，这些功能接口在一起构成了socket的编程

下面大致的按照客户端和服务端将所需的函数详细的列举出来

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上面的两个图都概述了socket的通讯原理

socket的一些函数

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 PASCAL FAR 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：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。这里分三种：

（1）一是TCP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。

（2）二是数据报式套接字(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。

（3）三是原始式套接字(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。

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。

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 PASCAL FAR 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SOCKET_ERROR。

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。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 PASCAL FAR 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 PASCAL FAR 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()，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。

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 PASCAL FAR 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。

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 PASCAL FAR 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 PASCAL FAR 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。

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 PASCAL FAR 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。

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 PASCAL FAR 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。