前幾天和朋友聊天,朋友問我怎麼最近不寫博客了,一個是由於最近在忙着公司使用的一些控件的開發,瀏覽器兼容性搞死人;但主要是由於這段時間一直在看html5的東西,看到web socket時以爲頗有意思,動手寫幾個demo,但web socket須要特定的服務器支持,因爲標準制定工做還沒完成,因此沒有多少主流的服務器支持,本身在網上下載了幾個實現,包括php的、C#的、甚至Node.js的,但一個是協議變化比較大,不少代碼已通過時了,再就是有一些支持最新的標準,可是我想稍微改造一下,看人家源代碼的時候雲裏霧裏,看看別人的代碼行數也很少,決定本身實現一個。php
悲劇由此開始,雖然哥們兒國內非知名工科大學畢業,但好歹也是科班CS出身,但大學得過且過,什麼TCP/IP協議,什麼socket了都沒概念。爲了作出一個簡單的支持廣播的websocket server,在網上找了不少相關代碼,左抄一句,右抄一句,弄了一個星期居然仍是漏洞百出,調試不起來,只好從頭來過了,先補一些基本知識,而後再一步步根據原理實現,今天終於實現了絕大部分功能,由此真的感覺到了,搞計算機必須得有理論指導實踐,不然只能像個沒頭蒼蠅處處亂撞。html
要想理解socket首先得熟悉一下TCP/IP協議族, TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即傳輸控制協議/網間協議,定義了主機如何連入因特網及數據如何再它們之間傳輸的標準,html5
從字面意思來看TCP/IP是TCP和IP協議的合稱,但實際上TCP/IP協議是指因特網整個TCP/IP協議族。不一樣於ISO模型的七個分層,TCP/IP協議參考模型把全部的TCP/IP系列協議歸類到四個抽象層中node
應用層:TFTP,HTTP,SNMP,FTP,SMTP,DNS,Telnet 等等web
傳輸層:TCP,UDP編程
網絡層:IP,ICMP,OSPF,EIGRP,IGMPubuntu
數據鏈路層:SLIP,CSLIP,PPP,MTU瀏覽器
每一抽象層創建在低一層提供的服務上,而且爲高一層提供服務,看起來大概是這樣子的服務器
估計有興趣打開此文的同窗都對此有必定了解了,加上我也是隻知其一;不知其二,因此就不詳細解釋,有興趣同窗能夠上網上搜一下資料websocket
在TCP/IP協議中兩個因特網主機經過兩個路由器和對應的層鏈接。各主機上的應用經過一些數據通道相互執行讀取操做
咱們知道兩個進程若是須要進行通信最基本的一個前提能可以惟一的標示一個進程,在本地進程通信中咱們可使用PID來惟一標示一個進程,但PID只在本地惟一,網絡中的兩個進程PID衝突概率很大,這時候咱們須要另闢它徑了,咱們知道IP層的ip地址能夠惟一標示主機,而TCP層協議和端口號能夠惟一標示主機的一個進程,這樣咱們能夠利用ip地址+協議+端口號惟一標示網絡中的一個進程。
可以惟一標示網絡中的進程後,它們就能夠利用socket進行通訊了,什麼是socket呢?咱們常常把socket翻譯爲套接字,socket是在應用層和傳輸層之間的一個抽象層,它把TCP/IP層複雜的操做抽象爲幾個簡單的接口供應用層調用已實現進程在網絡中通訊。
socket起源於UNIX,在Unix一切皆文件哲學的思想下,socket是一種"打開—讀/寫—關閉"模式的實現,服務器和客戶端各自維護一個"文件",在創建鏈接打開後,能夠向本身文件寫入內容供對方讀取或者讀取對方內容,通信結束時關閉文件。
socket是"打開—讀/寫—關閉"模式的實現,以使用TCP協議通信的socket爲例,其交互流程大概是這樣子的
服務器根據地址類型(ipv4,ipv6)、socket類型、協議建立socket
服務器爲socket綁定ip地址和端口號
服務器socket監聽端口號請求,隨時準備接收客戶端發來的鏈接,這時候服務器的socket並無被打開
客戶端建立socket
客戶端打開socket,根據服務器ip地址和端口號試圖鏈接服務器socket
服務器socket接收到客戶端socket請求,被動打開,開始接收客戶端請求,直到客戶端返回鏈接信息。這時候socket進入阻塞狀態,所謂阻塞即accept()方法一直到客戶端返回鏈接信息後才返回,開始接收下一個客戶端諒解請求
客戶端鏈接成功,向服務器發送鏈接狀態信息
服務器accept方法返回,鏈接成功
客戶端向socket寫入信息
服務器讀取信息
客戶端關閉
服務器端關閉
在TCP/IP協議中,TCP協議經過三次握手創建一個可靠的鏈接
第一次握手:客戶端嘗試鏈接服務器,向服務器發送syn包(同步序列編號Synchronize Sequence Numbers),syn=j,客戶端進入SYN_SEND狀態等待服務器確認
第二次握手:服務器接收客戶端syn包並確認(ack=j+1),同時向客戶端發送一個SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此時服務器進入SYN_RECV狀態
第三次握手:第三次握手:客戶端收到服務器的SYN+ACK包,向服務器發送確認包ACK(ack=k+1),此包發送完畢,客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態,完成三次握手
定睛一看,服務器socket與客戶端socket創建鏈接的部分其實就是大名鼎鼎的三次握手
socket編程API
前面提到socket是"打開—讀/寫—關閉"模式的實現,簡單瞭解一下socket提供了哪些API供應用程序使用,仍是以TCP協議爲例,看看Unix下的socket API,其它語言都很相似(PHP甚至名字都幾乎同樣),這裏我就簡單解釋一下方法做用和參數,具體使用有興趣同窗能夠看看博客參考中的連接或者上網搜索
int socket(int domain, int type, int protocol);
根據指定的地址族、數據類型和協議來分配一個socket的描述字及其所用的資源。
domain:協議族,經常使用的有AF_INET、AF_INET六、AF_LOCAL、AF_ROUTE其中AF_INET表明使用ipv4地址
type:socket類型,經常使用的socket類型有,SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等
protocol:協議。經常使用的協議有,IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
把一個地址族中的特定地址賦給socket
sockfd:socket描述字,也就是socket引用
addr:要綁定給sockfd的協議地址
addrlen:地址的長度
一般服務器在啓動的時候都會綁定一個衆所周知的地址(如ip地址+端口號),用於提供服務,客戶就能夠經過它來接連服務器;而客戶端就不用指定,有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是爲何一般服務器端在listen以前會調用bind(),而客戶端就不會調用,而是在connect()時由系統隨機生成一個。
int listen(int sockfd, int backlog);
監聽socket
sockfd:要監聽的socket描述字
backlog:相應socket能夠排隊的最大鏈接個數
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
鏈接某個socket
sockfd:客戶端的socket描述字
addr:服務器的socket地址
addrlen:socket地址的長度
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
TCP服務器監聽到客戶端請求以後,調用accept()函數取接收請求
sockfd:服務器的socket描述字
addr:客戶端的socket地址
addrlen:socket地址的長度
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
讀取socket內容
fd:socket描述字
buf:緩衝區
count:緩衝區長度
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
向socket寫入內容,其實就是發送內容
fd:socket描述字
buf:緩衝區
count:緩衝區長度
int close(int fd);
socket標記爲以關閉 ,使相應socket描述字的引用計數-1,當引用計數爲0的時候,觸發TCP客戶端向服務器發送終止鏈接請求。
PS. 有同窗看完後發現沒有demo示例,參考中的示例已經很不錯了,我就不班門弄斧了,並且我用C#實現了一個websocket server,接下來的博客中會有介紹。另外因爲剛剛實際接觸socket,文中謬誤較多,還望你們批評指正,文章內容主要參考上面兩個博文,圖片所有來源於網絡,在百度圖片搜索得來,沒法註明第一源地址,若有版權問題請站內信聯繫,第一時間處理。
面向鏈接的socket通訊就像與對方打電話,首先須要經過電話創建一個鏈接,鏈接創建好以後,彼此才能雙向通訊。它有幾個關鍵步驟
服務器端一般以守護進程的方式實現:
1: 建立守護進程
2:獲取或註冊服務
3:建立socket並綁定地址
4:開始監聽
5:接收客戶端鏈接請求
6:進行數據傳輸
客戶端
1:獲取或註冊服務
2:建立socket
3:發送鏈接請求
示例代碼
服務器端的實現(以端口的形式提供給用戶使用)
客戶端的實現
測試流程:服務器端: 修改/etc/hosts以下
192.168.1.11 X64-server
127.0.0.1 localhost
#127.0.1.1 X64-server
客戶端 修改/etc/hosts以下
127.0.0.1 localhost
127.0.1.1 ubuntu
192.168.1.11 X64-server
說明:若服務器端以服務的形式提供給用的使用,服務端和客戶端都須要在/etc/services中註冊服務,但它們的端口號能夠不同,如:ruptime 2001/tcp,而後將getaddrinfo函數中端口號改成服務名就能夠了
面向無鏈接Socket通訊
而向無鏈接的socket通訊就向發電子郵件同樣,數據通訊以前不須要創建鏈接的。
下圖是基於TCP協議的客戶端/服務器程序的通常流程:
服務器調用socket()、bind()、listen()完成初始化後,調用accept()阻塞等待,處於監聽端口的狀態,客戶端調用socket()初始化後,調用connect()發出SYN段並阻塞等待服務器應答,服務器應答一個SYN-ACK段,客戶端收到後從connect()返回,同時應答一個ACK段,服務器收到後從accept()返回。
數據傳輸的過程:
創建鏈接後,TCP協議提供全雙工的通訊服務,可是通常的客戶端/服務器程序的流程是由客戶端主動發起請求,服務器被動處理請求,一問一答的方式。所以,服務器從accept()返回後馬上調用read(),讀socket就像讀管道同樣,若是沒有數據到達就阻塞等待,這時客戶端調用write()發送請求給服務器,服務器收到後從read()返回,對客戶端的請求進行處理,在此期間客戶端調用read()阻塞等待服務器的應答,服務器調用write()將處理結果發回給客戶端,再次調用read()阻塞等待下一條請求,客戶端收到後從read()返回,發送下一條請求,如此循環下去。
若是客戶端沒有更多的請求了,就調用close()關閉鏈接,就像寫端關閉的管道同樣,服務器的read()返回0,這樣服務器就知道客戶端關閉了鏈接,也調用close()關閉鏈接。注意,任何一方調用close()後,鏈接的兩個傳輸方向都關閉,不能再發送數據了。若是一方調用shutdown()則鏈接處於半關閉狀態,仍可接收對方發來的數據。
在學習socket API時要注意應用程序和TCP協議層是如何交互的: *應用程序調用某個socket函數時TCP協議層完成什麼動做,好比調用connect()會發出SYN段 *應用程序如何知道TCP協議層的狀態變化,好比從某個阻塞的socket函數返回就代表TCP協議收到了某些段,再好比read()返回0就代表收到了FIN段
看圖所示的socket 通訊過程
圖12.9 socket 的通訊過程
1.創建套接字
在sys/socket.h
中。
int socket(int family, int type, int protocol);
socket()打開一個網絡通信端口,若是成功的話,就像open()同樣返回一個文件描述符,應用程序能夠像讀寫文件同樣用read/write在網絡上收發數據,若是socket()調用出錯則返回-1。對於IPv4,family參數指定爲AF_INET。對於TCP協議,type參數指定爲SOCK_STREAM,表示面向流的傳輸協議。若是是UDP協議,則type參數指定爲SOCK_DGRAM,表示面向數據報的傳輸協議。protocol參數的介紹從略,指定爲0便可。
Linux在利用socket()系統調用創建新的套接字時,須要傳遞套接字的地址族標識符、套接字類型以及協議,其函數定義於net/socket.c中:
asmlinkagelong sys_socket(int family, int type, int protocol)
{
int retval;
struct socket *sock;
retval = sock_create(family, type, protocol,&sock);
if (retval < 0)
goto out;
retval = sock_map_fd(sock);
if (retval < 0)
goto out_release;
out:
/* It may be already another descriptor 8) Not kernel problem. */
return retval;
out_release:
sock_release(sock);
return retval;
}
實際上,套接字對於用戶程序而言就是特殊的已打開的文件。內核中爲套接字定義了一種特殊的文件類型,造成一種特殊的文件系統sockfs,其定義於net/socket.c:
static struct vfsmount *sock_mnt;
static DECLARE_FSTYPE(sock_fs_type, "sockfs",sockfs_read_super, FS_NOMOUNT);
在系統初始化時,要經過kern_mount()安裝這個文件系統。安裝時有個做爲鏈接件的vfsmount數據結構,這個結構的地址就保存在一個全局的指針sock_mnt中。所謂建立一個套接字,就是在sockfs文件系統中建立一個特殊文件,或者說一個節點,並創建起爲實現套接字功能所需的一整套數據結構。因此,函數sock_create()首先是創建一個socket數據結構,而後將其「映射」到一個已打開的文件中,進行socket結構和sock結構的分配和初始化。
新建立的 BSD socket 數據結構包含有指向地址族專有的套接字例程的指針,這一指針實際就是proto_ops 數據結構的地址。
BSD 套接字的套接字類型設置爲所請求的 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM 等。而後,內核利用 proto_ops 數據結構中的信息調用地址族專有的建立例程。
以後,內核從當前進程的 fd 向量中分配空閒的文件描述符,該描述符指向的 file 數據結構被初始化。初始化過程包括將文件操做集指針指向由 BSD 套接字接口支持的 BSD 文件操做集。全部隨後的套接字(文件)操做都將定向到該套接字接口,而套接字接口則會進一步調用地址族的操做例程,從而將操做傳遞到底層地址族,如圖12.10所示。
實際上,socket結構與sock結構是同一事物的兩個方面。若是說socket結構是面向進程和系統調用界面的,那麼sock結構就是面向底層驅動程序的。但是,爲何不把這兩個數據結構合併成一個呢?
咱們說套接字是一種特殊的文件系統,所以,inode結構內部的union的一個成分就用做socket結構,其定義以下:
struct inode {
…
union {
…
struct socket socket_i;
}
}
因爲套接字操做的特殊性,這個結構中須要大量的結構成分。但是,若是把這些結構成分全都放在socket結構中,則inode結構中的這個union就會變得很大,從而inode結構也會變得很大,而對於其餘文件系統,這個union成分並不須要那麼龐大。所以,就把套接字所需的這些結構成分拆成兩部分,把與文件系統關係比較密切的那一部分放在socket結構中,把與通訊關係比較密切的那一部分則單獨組成一個數據結構,即sock結構。因爲這兩部分數據在邏輯上原本就是一體的,因此要經過指針互相指向對方,造成一對一的關係。
2.在 INET BSD 套接字上綁定(bind)地址
爲了監聽傳入的 Internet 鏈接請求,每一個服務器都須要創建一個 INET BSD 套接字,而且將本身的地址綁定到該套接字。綁定操做主要在 INET 套接字層中進行,還須要底層 TCP 層和 IP 層的某些支持。將地址綁定到某個套接字上以後,該套接字就不能用來進行任何其餘的通信,所以,該 socket數據結構的狀態必須爲 TCP_CLOSE。傳遞到綁定操做的 sockaddr 數據結構中包含要綁定的 IP地址,以及一個可選的端口地址。一般而言,要綁定的地址應該是賦予某個網絡設備的 IP 地址,而該網絡設備應該支持 INET 地址族,而且該設備是可用的。利用 ifconfig 命令可查看當前活動的網絡接口。被綁定的 IP 地址保存在 sock 數據結構的rcv_saddr 和 saddr 域中,這兩個域分別用於哈希查找和發送用的 IP 地址。端口地址是可選的,若是沒有指定,底層的支持網絡會選擇一個空閒的端口。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
服務器程序所監聽的網絡地址和端口號一般是固定不變的,客戶端程序得知服務器程序的地址和端口號後就能夠向服務器發起鏈接,所以服務器須要調用bind綁定一個固定的網絡地址和端口號。bind()成功返回0,失敗返回-1。
bind()的做用是將參數sockfd和myaddr綁定在一塊兒,使sockfd這個用於網絡通信的文件描述符監聽myaddr所描述的地址和端口號。前面講過,struct sockaddr *是一個通用指針類型,myaddr參數實際上能夠接受多種協議的sockaddr結構體,而它們的長度各不相同,因此須要第三個參數addrlen指定結構體的長度。咱們的程序中對myaddr參數是這樣初始化的:
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
首先將整個結構體清零,而後設置地址類型爲AF_INET,網絡地址爲INADDR_ANY,這個宏表示本地的任意IP地址,由於服務器可能有多個網卡,每一個網卡也可能綁定多個IP地址,這樣設置能夠在全部的IP地址上監聽,直到與某個客戶端創建了鏈接時才肯定下來到底用哪一個IP地址,端口號爲SERV_PORT,咱們定義爲8000。
當底層網絡設備接受到數據包時,它必須將數據包傳遞到正確的 INET 和 BSD 套接字以便進行處理,所以,TCP維護多個哈希表,用來查找傳入 IP 消息的地址,並將它們定向到正確的socket/sock 對。TCP 並不在綁定過程當中將綁定的 sock 數據結構添加到哈希表中,在這一過程當中,它僅僅判斷所請求的端口號當前是否正在使用。在監聽操做中,該 sock 結構才被添加到 TCP 的哈希表中。
3.在 INET BSD 套接字上創建鏈接(connect)
建立一個套接字以後,該套接字不只能夠用於監聽入站的鏈接請求,也能夠用於創建出站的鏈接請求。不論怎樣都涉及到一個重要的過程:創建兩個應用程序之間的虛擬電路。出站鏈接只能創建在處於正確狀態的 INET BSD 套接字上,所以,不能創建於已創建鏈接的套接字,也不能創建於用於監聽入站鏈接的套接字。也就是說,該 BSD socket 數據結構的狀態必須爲 SS_UNCONNECTED。
在創建鏈接過程當中,雙方 TCP 要進行三次「握手」,具體過程在 本章第二節——網絡協議一文中有詳細介紹。若是 TCP sock 正在等待傳入消息,則該 sock 結構添加到 tcp_listening_hash 表中,這樣,傳入的 TCP 消息就能夠定向到該 sock 數據結構。
因爲客戶端不須要固定的端口號,所以沒必要調用bind(),客戶端的端口號由內核自動分配。注意,客戶端不是不容許調用bind(),只是沒有必要調用bind()固定一個端口號,服務器也不是必須調用bind(),但若是服務器不調用bind(),內核會自動給服務器分配監聽端口,每次啓動服務器時端口號都不同,客戶端要鏈接服務器就會遇到麻煩。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);
客戶端須要調用connect()鏈接服務器,connect和bind的參數形式一致,區別在於bind的參數是本身的地址,而connect的參數是對方的地址。connect()成功返回0,出錯返回-1。
4.監聽(listen) INET BSD 套接字
int listen(int sockfd, int backlog);
典型的服務器程序能夠同時服務於多個客戶端,當有客戶端發起鏈接時,服務器調用的accept()返回並接受這個鏈接,若是有大量的客戶端發起鏈接而服務器來不及處理,還沒有accept的客戶端就處於鏈接等待狀態,listen()聲明sockfd處於監聽狀態,而且最多容許有backlog個客戶端處於鏈接待狀態,若是接收到更多的鏈接請求就忽略。listen()成功返回0,失敗返回-1。
當某個套接字被綁定了地址以後,該套接字就能夠用來監聽專屬於該綁定地址的傳入鏈接。網絡應用程序也能夠在未綁定地址以前監聽套接字,這時,INET 套接字層將利用空閒的端口編號並自動綁定到該套接字。套接字的監聽函數將 socket 的狀態改變爲 TCP_LISTEN。
當接收到某個傳入的 TCP 鏈接請求時,TCP 創建一個新的 sock 數據結構來描述該鏈接。當該鏈接最終被接受時,新的 sock 數據結構將變成該 TCP 鏈接的內核bottom_half部分,這時,它要克隆包含鏈接請求的傳入 sk_buff 中的信息,並在監聽 sock 數據結構的 receive_queue 隊列中將克隆的信息排隊。克隆的 sk_buff 中包含有指向新 sock 數據結構的指針。
5.接受鏈接請求 (accept)
接受操做在監聽套接字上進行,從監聽 socket 中克隆一個新的 socket 數據結構。其過程以下:接受操做首先傳遞到支持協議層,即 INET 中,以便接受任何傳入的鏈接請求。相反,接受操做進一步傳遞到實際的協議,例如TCP 上。接受操做能夠是阻塞的,也能夠是非阻塞的。接受操做爲非阻塞的狀況下,若是沒有可接受的傳入鏈接,則接受操做將失敗,而新創建的 socket 數據結構被拋棄。接受操做爲阻塞的狀況下,執行阻塞操做的網絡應用程序將添加到等待隊列中,並保持掛起直到接收到一個 TCP 鏈接請求爲至。當鏈接請求到達以後,包含鏈接請求的 sk_buff 被丟棄,而由 TCP 創建的新 sock 數據結構返回到 INET 套接字層,在這裏,sock 數據結構和先前創建的新 socket 數據結構創建連接。而新 socket 的文件描述符(fd)被返回到網絡應用程序,此後,應用程序就能夠利用該文件描述符在新創建的 INETBSD 套接字上進行套接字操做。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);
三方握手完成後,服務器調用accept()接受鏈接,若是服務器調用accept()時尚未客戶端的鏈接請求,就阻塞等待直到有客戶端鏈接上來。cliaddr是一個傳出參數,accept()返回時傳出客戶端的地址和端口號。addrlen參數是一個傳入傳出參數(value-result argument),傳入的是調用者提供的緩衝區cliaddr的長度以免緩衝區溢出問題,傳出的是客戶端地址結構體的實際長度(有可能沒有佔滿調用者提供的緩衝區)。若是給cliaddr參數傳NULL,表示不關心客戶端的地址。
注意:服務器接收到傳入的請求後,若是可以接受該請求,服務器必須建立一個新的套接字來接受該請求並創建通信鏈接(用於監聽的套接字不能用來創建通信鏈接),這時,服務器和客戶就能夠利用創建好的通信鏈接傳輸數據。
轉載地址:http://oss.org.cn/kernel-book/ch12/12.3.4.htm
「一切皆Socket!」
話雖些許誇張,可是事實也是,如今的網絡編程幾乎都是用的socket。
——有感於實際編程和開源項目研究。
咱們深諳信息交流的價值,那網絡中進程之間如何通訊,如咱們天天打開瀏覽器瀏覽網頁時,瀏覽器的進程怎麼與web服務器通訊的?當你用QQ聊天時,QQ進程怎麼與服務器或你好友所在的QQ進程通訊?這些都得靠socket?那什麼是socket?socket的類型有哪些?還有socket的基本函數,這些都是本文想介紹的。本文的主要內容以下:
本地的進程間通訊(IPC)有不少種方式,但能夠總結爲下面4類:
但這些都不是本文的主題!咱們要討論的是網絡中進程之間如何通訊?首要解決的問題是如何惟一標識一個進程,不然通訊無從談起!在本地能夠經過進程PID來惟一標識一個進程,可是在網絡中這是行不通的。其實TCP/IP協議族已經幫咱們解決了這個問題,網絡層的「ip地址」能夠惟一標識網絡中的主機,而傳輸層的「協議+端口」能夠惟一標識主機中的應用程序(進程)。這樣利用三元組(ip地址,協議,端口)就能夠標識網絡的進程了,網絡中的進程通訊就能夠利用這個標誌與其它進程進行交互。
使用TCP/IP協議的應用程序一般採用應用編程接口:UNIX BSD的套接字(socket)和UNIX System V的TLI(已經被淘汰),來實現網絡進程之間的通訊。就目前而言,幾乎全部的應用程序都是採用socket,而如今又是網絡時代,網絡中進程通訊是無處不在,這就是我爲何說「一切皆socket」。
上面咱們已經知道網絡中的進程是經過socket來通訊的,那什麼是socket呢?socket起源於Unix,而Unix/Linux基本哲學之一就是「一切皆文件」,均可以用「打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close」模式來操做。個人理解就是Socket就是該模式的一個實現,socket便是一種特殊的文件,一些socket函數就是對其進行的操做(讀/寫IO、打開、關閉),這些函數咱們在後面進行介紹。
socket一詞的起源
在組網領域的首次使用是在1970年2月12日發佈的文獻IETF RFC33中發現的,撰寫者爲Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據美國計算機歷史博物館的記載,Croker寫道:「命名空間的元素均可稱爲套接字接口。一個套接字接口構成一個鏈接的一端,而一個鏈接可徹底由一對套接字接口規定。」計算機歷史博物館補充道:「這比BSD的套接字接口定義早了大約12年。」
既然socket是「open—write/read—close」模式的一種實現,那麼socket就提供了這些操做對應的函數接口。下面以TCP爲例,介紹幾個基本的socket接口函數。
int socket(int domain, int type, int protocol);
socket函數對應於普通文件的打開操做。普通文件的打開操做返回一個文件描述字,而socket()用於建立一個socket描述符(socket descriptor),它惟一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字同樣,後續的操做都有用到它,把它做爲參數,經過它來進行一些讀寫操做。
正如能夠給fopen的傳入不一樣參數值,以打開不一樣的文件。建立socket的時候,也能夠指定不一樣的參數建立不一樣的socket描述符,socket函數的三個參數分別爲:
注意:並非上面的type和protocol能夠隨意組合的,如SOCK_STREAM不能夠跟IPPROTO_UDP組合。當protocol爲0時,會自動選擇type類型對應的默認協議。
當咱們調用socket建立一個socket時,返回的socket描述字它存在於協議族(address family,AF_XXX)空間中,但沒有一個具體的地址。若是想要給它賦值一個地址,就必須調用bind()函數,不然就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。
正如上面所說bind()函數把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函數的三個參數分別爲:
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 */ };
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 */ };
#define UNIX_PATH_MAX 108 struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */ char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ };
一般服務器在啓動的時候都會綁定一個衆所周知的地址(如ip地址+端口號),用於提供服務,客戶就能夠經過它來接連服務器;而客戶端就不用指定,有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是爲何一般服務器端在listen以前會調用bind(),而客戶端就不會調用,而是在connect()時由系統隨機生成一個。
網絡字節序與主機字節序
主機字節序就是咱們日常說的大端和小端模式:不一樣的CPU有不一樣的字節序類型,這些字節序是指整數在內存中保存的順序,這個叫作主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義以下:
a) Little-Endian就是低位字節排放在內存的低地址端,高位字節排放在內存的高地址端。
b) Big-Endian就是高位字節排放在內存的低地址端,低位字節排放在內存的高地址端。
網絡字節序:4個字節的32 bit值如下面的次序傳輸:首先是0~7bit,其次8~15bit,而後16~23bit,最後是24~31bit。這種傳輸次序稱做大端字節序。因爲TCP/IP首部中全部的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序,所以它又稱做網絡字節序。字節序,顧名思義字節的順序,就是大於一個字節類型的數據在內存中的存放順序,一個字節的數據沒有順序的問題了。
因此:在將一個地址綁定到socket的時候,請先將主機字節序轉換成爲網絡字節序,而不要假定主機字節序跟網絡字節序同樣使用的是Big-Endian。因爲這個問題曾引起過血案!公司項目代碼中因爲存在這個問題,致使了不少莫名其妙的問題,因此請謹記對主機字節序不要作任何假定,務必將其轉化爲網絡字節序再賦給socket。
若是做爲一個服務器,在調用socket()、bind()以後就會調用listen()來監聽這個socket,若是客戶端這時調用connect()發出鏈接請求,服務器端就會接收到這個請求。
int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
listen函數的第一個參數即爲要監聽的socket描述字,第二個參數爲相應socket能夠排隊的最大鏈接個數。socket()函數建立的socket默認是一個主動類型的,listen函數將socket變爲被動類型的,等待客戶的鏈接請求。
connect函數的第一個參數即爲客戶端的socket描述字,第二參數爲服務器的socket地址,第三個參數爲socket地址的長度。客戶端經過調用connect函數來創建與TCP服務器的鏈接。
TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()以後,就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()以後就想TCP服務器發送了一個鏈接請求。TCP服務器監聽到這個請求以後,就會調用accept()函數取接收請求,這樣鏈接就創建好了。以後就能夠開始網絡I/O操做了,即類同於普通文件的讀寫I/O操做。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
accept函數的第一個參數爲服務器的socket描述字,第二個參數爲指向struct sockaddr *的指針,用於返回客戶端的協議地址,第三個參數爲協議地址的長度。若是accpet成功,那麼其返回值是由內核自動生成的一個全新的描述字,表明與返回客戶的TCP鏈接。
注意:accept的第一個參數爲服務器的socket描述字,是服務器開始調用socket()函數生成的,稱爲監聽socket描述字;而accept函數返回的是已鏈接的socket描述字。一個服務器一般一般僅僅只建立一個監聽socket描述字,它在該服務器的生命週期內一直存在。內核爲每一個由服務器進程接受的客戶鏈接建立了一個已鏈接socket描述字,當服務器完成了對某個客戶的服務,相應的已鏈接socket描述字就被關閉。
萬事具有隻欠東風,至此服務器與客戶已經創建好鏈接了。能夠調用網絡I/O進行讀寫操做了,即實現了網咯中不一樣進程之間的通訊!網絡I/O操做有下面幾組:
我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數,這兩個函數是最通用的I/O函數,實際上能夠把上面的其它函數都替換成這兩個函數。它們的聲明以下:
#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函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時,read返回實際所讀的字節數,若是返回的值是0表示已經讀到文件的結束了,小於0表示出現了錯誤。若是錯誤爲EINTR說明讀是由中斷引發的,若是是ECONNREST表示網絡鏈接出了問題。
write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回-1,並設置errno變量。 在網絡程序中,當咱們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0,表示寫了部分或者是所有的數據。2)返回的值小於0,此時出現了錯誤。咱們要根據錯誤類型來處理。若是錯誤爲EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。若是爲EPIPE表示網絡鏈接出現了問題(對方已經關閉了鏈接)。
其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了,具體參見man文檔或者baidu、Google,下面的例子中將使用到send/recv。
在服務器與客戶端創建鏈接以後,會進行一些讀寫操做,完成了讀寫操做就要關閉相應的socket描述字,比如操做完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。
#include <unistd.h>
int close(int fd);
close一個TCP socket的缺省行爲時把該socket標記爲以關閉,而後當即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用,也就是說不能再做爲read或write的第一個參數。
注意:close操做只是使相應socket描述字的引用計數-1,只有當引用計數爲0的時候,纔會觸發TCP客戶端向服務器發送終止鏈接請求。
咱們知道tcp創建鏈接要進行「三次握手」,即交換三個分組。大體流程以下:
只有就完了三次握手,可是這個三次握手發生在socket的那幾個函數中呢?請看下圖:
圖一、socket中發送的TCP三次握手
從圖中能夠看出,當客戶端調用connect時,觸發了鏈接請求,向服務器發送了SYN J包,這時connect進入阻塞狀態;服務器監聽到鏈接請求,即收到SYN J包,調用accept函數接收請求向客戶端發送SYN K ,ACK J+1,這時accept進入阻塞狀態;客戶端收到服務器的SYN K ,ACK J+1以後,這時connect返回,並對SYN K進行確認;服務器收到ACK K+1時,accept返回,至此三次握手完畢,鏈接創建。
總結:客戶端的connect在三次握手的第二個次返回,而服務器端的accept在三次握手的第三次返回。
上面介紹了socket中TCP的三次握手創建過程,及其涉及的socket函數。如今咱們介紹socket中的四次握手釋放鏈接的過程,請看下圖:
圖二、socket中發送的TCP四次握手
圖示過程以下:
這樣每一個方向上都有一個FIN和ACK。
說了這麼多了,動手實踐一下。下面編寫一個簡單的服務器、客戶端(使用TCP)——服務器端一直監聽本機的6666號端口,若是收到鏈接請求,將接收請求並接收客戶端發來的消息;客戶端與服務器端創建鏈接併發送一條消息。
服務器端代碼:
1 #include<stdio.h> 2 #include<stdlib.h> 3 #include<string.h> 4 #include<errno.h> 5 #include<sys/types.h> 6 #include<sys/socket.h> 7 #include<netinet/in.h> 8 9 #define MAXLINE 4096 10 11 int main(int argc, char** argv) 12 { 13 int listenfd, connfd; 14 struct sockaddr_in servaddr; 15 char buff[4096]; 16 int n; 17 18 if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){ 19 printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 20 exit(0); 21 } 22 23 memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); 24 servaddr.sin_family = AF_INET; 25 servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 26 servaddr.sin_port = htons(6666); 27 28 if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){ 29 printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 30 exit(0); 31 } 32 33 if( listen(listenfd, 10) == -1){ 34 printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 35 exit(0); 36 } 37 38 printf("======waiting for client's request======\n"); 39 while(1){ 40 if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){ 41 printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno); 42 continue; 43 } 44 n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0); 45 buff[n] = '\0'; 46 printf("recv msg from client: %s\n", buff); 47 close(connfd); 48 } 49 50 close(listenfd); 51 }
客戶端代碼:
1 #include<stdio.h> 2 #include<stdlib.h> 3 #include<string.h> 4 #include<errno.h> 5 #include<sys/types.h> 6 #include<sys/socket.h> 7 #include<netinet/in.h> 8 9 #define MAXLINE 4096 10 11 int main(int argc, char** argv) 12 { 13 int sockfd, n; 14 char recvline[4096], sendline[4096]; 15 struct sockaddr_in servaddr; 16 17 if( argc != 2){ 18 printf("usage: ./client <ipaddress>\n"); 19 exit(0); 20 } 21 22 if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){ 23 printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno); 24 exit(0); 25 } 26 27 memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); 28 servaddr.sin_family = AF_INET; 29 servaddr.sin_port = htons(6666); 30 if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){ 31 printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]); 32 exit(0); 33 } 34 35 if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){ 36 printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 37 exit(0); 38 } 39 40 printf("send msg to server: \n"); 41 fgets(sendline, 4096, stdin); 42 if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0) 43 { 44 printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno); 45 exit(0); 46 } 47 48 close(sockfd); 49 exit(0); 50 }
固然上面的代碼很簡單,也有不少缺點,這就只是簡單的演示socket的基本函數使用。其實無論有多複雜的網絡程序,都使用的這些基本函數。上面的服務器使用的是迭代模式的,即只有處理完一個客戶端請求才會去處理下一個客戶端的請求,這樣的服務器處理能力是很弱的,現實中的服務器都須要有併發處理能力!爲了須要併發處理,服務器須要fork()一個新的進程或者線程去處理請求等。
留下一個問題,歡迎你們回帖回答!!!是否熟悉Linux下網絡編程?如熟悉,編寫以下程序完成以下功能:
服務器端:
接收地址192.168.100.2的客戶端信息,如信息爲「Client Query」,則打印「Receive Query」
客戶端:
向地址192.168.100.168的服務器端順序發送信息「Client Query test」,「Cleint Query」,「Client Query Quit」,而後退出。
題目中出現的ip地址能夠根據實際狀況定。
——本文只是介紹了簡單的socket編程。
更爲複雜的須要本身繼續深刻。
做者:吳秦
出處:http://www.cnblogs.com/skynet/
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http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html