socket通信技术介绍

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1. 网络中进程之间怎样通信
2. 什么是Socket
1. socket一词的起源
3. socket的基本操作
1. socket函数
2. bind函数
1. 网络字节序与主机字节序
3. listenconnect函数
4. accept函数
5. readwrite等函数
6. close函数
4. socket中TCP的三次握手建立连接详细解释
5. socket中TCP的四次握手释放连接详细解释
6. 一个样例实践一下
7. 动动手

 

“一切皆Socket！”

话虽些许夸张，可是事实也是，如今的网络编程差点儿都是用的socket。

——有感于实际编程和开源项目研究。

我们深谙信息交流的价值，那网络中进程之间怎样通信，如我们每天打开浏览器浏览网页时，浏览器的进程怎么与webserver通信的？当你用QQ聊天时，QQ进程怎么与server或你好友所在的QQ进程通信？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。本文的主要内容如下：

• 1、网络中进程之间怎样通信？
• 2、Socket是什么？
• 3、socket的基本操作
  • 3.1、socket()函数
  • 3.2、bind()函数
  • 3.3、listen()、connect()函数
  • 3.4、accept()函数
  • 3.5、read()、write()函数等
  • 3.6、close()函数
• 4、socket中TCP的三次握手建立连接详细解释
• 5、socket中TCP的四次握手释放连接详细解释
• 6、一个样例（实践一下）
• 7、留下一个问题，欢迎大家回帖回答！！！

1、网络中进程之间怎样通信？

本地的进程间通信（IPC）有非常多种方式，但能够总结为以下4类：

• 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
• 同步（相互排斥量、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！我们要讨论的是网络中进程之间怎样通信？首要解决的问题是怎样唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地能够通过进程PID来唯一标识一个进程，可是在网络中这是行不通的。事实上TCP/IP协议族已经帮我们攻克了这个问题，网络层的“ip地址”能够唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”能够唯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，网络中的进程通信就能够利用这个标志与其他进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常採用应用编程接口：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信。就眼下而言，差点儿全部的应用程序都是採用socket，而如今又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。

2、什么是Socket？

上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之中的一个就是“一切皆文件”，都能够用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭），这些函数我们在后面进行介绍。

socket一词的起源

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

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作相应的函数接口。以下以TCP为例，介绍几个主要的socket接口函数。

3.1、socket()函数

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

socket函数相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写叙述字，而socket()用于创建一个socket描写叙述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描写叙述字跟文件描写叙述字一样，后续的操作都实用到它，把它作为參数，通过它来进行一些读写操作。

正如能够给fopen的传入不同參数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也能够指定不同的參数创建不同的socket描写叙述符，socket函数的三个參数分别为：

• domain：即协议域，又称为协议族（family）。常常使用的协议族有，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，在通信中必须採用相应的地址，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。
• type：指定socket类型。常常使用的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。常常使用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别相应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能够任意组合的，如SOCK_STREAM不能够跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自己主动选择type类型相应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描写叙述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但沒有一个详细的地址。假设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()时系统会自己主动随机分配一个端口。

3.2、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。比如相应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);

函数的三个參数分别为：

• sockfd：即socket描写叙述字，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写叙述字绑定一个名字。
• addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构依据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4相应的是： 
  

  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相应的是： 
  

  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域相应的是： 
  

  #define UNIX_PATH_MAX    108
  
  
  
  struct sockaddr_un { 
  
      sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
  
      char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
  
  };

• addrlen：相应的是地址的长度。

通常server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，客户就能够通过它来接连server；而client就不用指定，有系统自己主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server端在listen之前会调用bind()，而client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

主机字节序就是我们寻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：

　　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值以以下的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这样的传输次序称作大端字节序。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样的次序，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，一个字节的数据沒有顺序的问题了。

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。因为这个问题曾引发过血案！公司项目代码中因为存在这个问题，导致了非常多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做不论什么假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

3.3、listen()、connect()函数

假设作为一个server，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，假设client这时调用connect()发出连接请求，server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函数的第一个參数即为要监听的socket描写叙述字，第二个參数为相应socket能够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函数的第一个參数即为client的socket描写叙述字，第二參数为server的socket地址，第三个參数为socket地址的长度。client通过调用connect函数来建立与TCPserver的连接。

3.4、accept()函数

TCPserver端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCPclient依次调用socket()、connect()之后就想TCPserver发送了一个连接请求。TCPserver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。之后就能够開始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

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

accept函数的第一个參数为server的socket描写叙述字，第二个參数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回client的协议地址，第三个參数为协议地址的长度。假设accpet成功，那么其返回值是由内核自己主动生成的一个全新的描写叙述字，代表与返回客户的TCP连接。

注意：accept的第一个參数为server的socket描写叙述字，是server開始调用socket()函数生成的，称为监听socket描写叙述字；而accept函数返回的是已连接的socket描写叙述字。一个server通常通常仅仅仅仅创建一个监听socket描写叙述字，它在该server的生命周期内一直存在。内核为每一个由server进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描写叙述字，当server完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描写叙述字就被关闭。

3.5、read()、write()等函数

万事具备仅仅欠东风，至此server与客户已经建立好连接了。能够调用网络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操作有以下几组：

• 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他函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：

       #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，假设返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。假设错误为EINTR说明读是由中断引起的，假设是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写叙述符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写叙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。我们要依据错误类型来处理。假设错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。假设为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

其他的我就不一一介绍这几对I/O函数了，详细參见man文档或者baidu、Google，以下的样例中将使用到send/recv。

3.6、close()函数

在server与client建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描写叙述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>

int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后马上返回到调用进程。该描写叙述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个參数。

注意：close操作仅仅是使相应socket描写叙述字的引用计数-1，唯独当引用计数为0的时候，才会触发TCPclient向server发送终止连接请求。

4、socket中TCP的三次握手建立连接详细解释

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：

• client向server发送一个SYN J
• server向client响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
• client再想server发一个确认ACK K+1

唯独就完了三次握手，可是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

图1、socket中发送的TCP三次握手

从图中能够看出，当client调用connect时，触发了连接请求，向server发送了SYN J包，这时connect进入堵塞状态；server监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向client发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入堵塞状态；client收到server的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；server收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

总结：client的connect在三次握手的第二个次返回，而server端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手释放连接详细解释

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。如今我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：

图2、socket中发送的TCP四次握手

图示步骤如下：

• 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；
• 还有一端接收到FIN M之后，运行被动关闭，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；
• 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；
• 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、一个样例（实践一下）

说了这么多了，动手实践一下。以下编写一个简单的server、client（使用TCP）——server端一直监听本机的6666号端口，假设收到连接请求，将接收请求并接收client发来的消息；client与server端建立连接并发送一条消息。

server端代码：

server端

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv)
{
    int    listenfd, connfd;
    struct sockaddr_in     servaddr;
    char    buff[4096];
    int     n;

    if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){
    printf("create socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(6666);

    if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
    printf("bind socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    if( listen(listenfd, 10) == -1){
    printf("listen socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    printf("======waiting for client's request======/n");
    while(1){
    if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){
        printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);
        continue;
    }
    n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);
    buff[n] = '/0';
    printf("recv msg from client: %s/n", buff);
    close(connfd);
    }

    close(listenfd);
}

client代码：

client

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv)
{
    int    sockfd, n;
    char    recvline[4096], sendline[4096];
    struct sockaddr_in    servaddr;

    if( argc != 2){
    printf("usage: ./client <ipaddress>/n");
    exit(0);
    }

    if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){
    printf("create socket error: %s(errno: %d)/n", strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(6666);
    if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){
    printf("inet_pton error for %s/n",argv[1]);
    exit(0);
    }

    if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){
    printf("connect error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    printf("send msg to server: /n");
    fgets(sendline, 4096, stdin);
    if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)
    {
    printf("send msg error: %s(errno: %d)/n", strerror(errno), errno);
    exit(0);
    }

    close(sockfd);
    exit(0);
}

当然上面的代码非常easy，也有非常多缺点，这就仅仅是简单的演示socket的基本函数使用。事实上无论有多复杂的网络程序，都使用的这些基本函数。上面的server使用的是迭代模式的，即唯独处理完一个client请求才会去处理下一个client的请求，这样的server处理能力是非常弱的，现实中的server都须要有并发处理能力！为了须要并发处理，server须要fork()一个新的进程或者线程去处理请求等。

7、动动手

留下一个问题，欢迎大家回帖回答！！！是否熟悉Linux下网络编程？如熟悉，编写如下程序完成如下功能：

server端：

接收地址192.168.100.2的client信息，如信息为“Client Query”，则打印“Receive Query”

client：

向地址192.168.100.168的server端顺序发送信息“Client Query test”，“Cleint Query”，“Client Query Quit”，然后退出。

题目中出现的ip地址能够依据实际情况定。

——本文仅仅是介绍了简单的socket编程。

更为复杂的须要自己继续深入。