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计算机网络实验socket编程

实验三 socket套接字编程实验

一、Sockets编程基础知识

网络编程就是通过计算机网络与其他程序进行通信的程序，Socket编程是网络编程的主流工具。

Socket API是实现进程间通信的一种编程设施，也是一种为进程间提供底层抽象的机制。尽管应用开发人员很少需要在该层编写代码，但是理解socket API还是非常重要的。主要有两点原因：第一，高层设施是构建于socket API之上的，它们是利用socket API提供的操作来实现。第二，对于响应时间要求较高或运行于有限资源平台上的应用，甚至socket API是唯一可用的进程间通信设施。

socket API出现于20世纪80年代早期，作为Berkeley Unix(BSD 4.2)操作系统程序库来通过进程间通信功能。现在主流操作系统都提供socket API。在基于Unix系统中，如BSD、Linux系统，socket API是操作系统内核的一部分；在MS-DOS、Windows OS、OS/2等操作系统中，socket API是以程序库形式提供的，如在Windows系统中，socket API被称为Winsock。

Socket接口规范可以适用多种通讯协议，主要是TCP/IP。TCP/IP是计算机互联最常适用的网络通讯协议，TCP/IP的核心部分由网络操作系统的内核实现，应用程序通过编程接口来访问TCP/IP，应用程序通讯的方式有图3-1所示。

图3-1：应用程序通信方式

TCP/IP使用一个网络地址和一个服务端口号来惟一地标识设备。网络地址标识网络上的特定设备；端口号标识要连接到的该设备上的特定服务。网络通讯的基本模式如下：每一台通讯的主机都有一个本网络环境中惟一的IP地址，一台主机上往往有多个通讯程序存在，每个这样的程序都要占用一个通讯端口。因此，一个IP地址，一个通讯端口，就能确定一个通讯程序的位置。

二、Socket通讯连接方式

Socket主要有三种通讯方式：流式Socket、数据报Socket和原始Socket。

1.流式Socket(SOCK_STREAM)

流式套接字提供了基于Unix操作系统的流式I/O的数据传输模式，它仅仅支持通过可靠的、面向连接的通信，类似于电话系统服务，即每一次完整的数据传输都要经过建立连接、使用连接、终止连接的过程、在数据传输过程中，各数据分组不携带目的地址，而使用连接号(connect ID)。从本质上看，连接是一个管道，收发数据不但顺序一致，而且内容相同。

Socket编程中，双方进程可以单独创建流式Socket，再在socket之间形成连接。一旦数据作为字符流被写入发送者进程，然后接收者通过socket来读取该数据。面向连接通信能确保数据沿预先建立的连接安全有序地传输。

服务器使用两个Socket：一个接收连接；一个发送/接收数据。见图5-2。

图3-2：流式Socket通信

2.数据报Socket(SOCK_DGRAM)

数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠、无差错。类似于邮政系统服务。每个分组都携带完整的目的地址，各分组独立传送。无连接服务不能保证分组的先后顺序，不进行分组出错的恢复与重传，不保证传输的可靠性。UDP协议提供无连接的数据报服务。它使用数据报协议UDP。

图3-3：无连接数据包socket

3.原始Socket

原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP直接访问，它功能强大但使用不便主要用于一些协议的开发。

三、基于C的面向连接的Socket编程模型

TCP协议是面向连接协议，它提供了一系列的数据纠错功能，可以保证在网络上传输的数据及时、无误的传给接收方。因此面向连接协议的Socket编程模型应用最为广泛，基于连接协议的服务是设计客户端/服务器应用程序时的标准。编程模型如图3-4所示。

模型中，服务器端的处理：

(1)使用socket系统调用，生成一个TCP协议模块与应用程序之间进行通信的套接字；使用bind系统调用指定端口号；

(2)使用bind系统调用指定端口号；

(3)使用listen系统调用，指定连接接收队列的长度，并等待来自客户端的连接请求。

前三步完成了启动服务器程序的工作。一旦listen监听到有客户端的连接，就调用accept接收连接。

希望与服务器通信的进程称为客户，客户所运行的计算机环境称为客户端，有时两个概念混用。

客户端的处理：

(1)使用socket系统调用，打开TCP协议模块与应用程序之间的通信线路；

(2)使用connect系统调用，指定IP地址和端口号，和服务器相应的服务应用程序建立TCP协议的连接请求；

客户端和服务器程序在建立连接后，使用send和recv调用完成数据的发送和接收工作。等待数据传送结束