socket編程基礎
TCP/IP、UDP設計模式
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即傳輸控制協議/網間協議，是一個工業標準的協議集，它是爲廣域網（WANs）設計的。 數組
TCP/IP協議存在於OS中，網絡服務經過OS提供，在OS中增長支持TCP/IP的系統調用——Berkeley套接字，如Socket，Connect，Send，Recv等瀏覽器
UDP（User Data Protocol，用戶數據報協議）是與TCP相對應的協議。它是屬於TCP/IP協議族中的一種。如圖：服務器
TCP/IP協議族包括運輸層、網絡層、鏈路層，而socket所在位置如圖，Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟件抽象層。網絡
socket套接字
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。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）.
說白了Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket接口後面，對用戶來講，一組簡單的接口就是所有，讓Socket去組織數據，以符合指定的協議。
數據結構
套接字描述符
當應用程序要建立一個套接字時，操做系統就返回一個小整數做爲描述符，應用程序則使用這個描述符來引用該套接字須要I/O請求的應用程序請求操做系統打開一個文件。操做系統就建立一個文件描述符提供給應用程序訪問文件。從應用程序的角度看，文件描述符是一個整數，應用程序能夠用它來讀寫文件。下圖顯示，操做系統如何把文件描述符實現爲一個指針數組，這些指針指向內部數據結構。
對於每一個程序系統都有一張單獨的表。精確地講，系統爲每一個運行的進程維護一張單獨的文件描述符表。當進程打開一個文件時，系統把一個指向此文件內部數據結構的指針寫入文件描述符表，並把該表的索引值返回給調用者 。應用程序只需記住這個描述符，並在之後操做該文件時使用它。操做系統把該描述符做爲索引訪問進程描述符表，經過指針找到保存該文件全部的信息的數據結構。socket
SOCKET接口函數ide
工做原理：「open—write/read—close」模式。函數
服務器端先初始化Socket，而後與端口綁定(bind)，對端口進行監聽(listen)，調用accept阻塞，等待客戶端鏈接。在這時若是有個客戶端初始化一個Socket，而後鏈接服務器(connect)，若是鏈接成功，這時客戶端與服務器端的鏈接就創建了。客戶端發送數據請求，服務器端接收請求並處理請求，而後把迴應數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最後關閉鏈接，一次交互結束。測試
socket()函數
int socket(int protofamily, 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：
protofamily：即協議域，又稱爲協議族（family）。經常使用的協議族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。
type：指定socket類型。經常使用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
protocol：故名思意，就是指定協議。經常使用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（通常設置爲0，讓系統自動選擇相應協議。）。
bind()函數
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
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。函數的三個參數分別爲：
sockfd：即socket描述字，它是經過socket()函數建立了，惟一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。
addr：一個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址建立socket時的地址協議族的不一樣而不一樣，如ipv4對應的是：
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 */
};addrlen：對應的是地址的長度。
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。
注意：
網絡字節序以大端模式傳輸。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
listen()、connect()函數
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。
accept()函數
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()以後就向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);
參數sockfd
參數sockfd就是上面解釋中的監聽套接字，這個套接字用來監聽一個端口，當有一個客戶與服務器鏈接時，它使用這個一個端口號，而此時這個端口號正與這個套接字關聯。固然客戶不知道套接字這些細節，它只知道一個地址和一個端口號。
參數addr
這是一個輸出型參數，它用來接受一個返回值，這返回值指定客戶端的地址，固然這個地址是經過某個地址結構來描述的，用戶應該知道這一個什麼樣的地址結構。若是對客戶的地址不感興趣，那麼能夠把這個值設置爲NULL。
參數len
如同你們所認爲的，它也是輸出型參數，用來接受上述addr的結構的大小的，它指明addr結構所佔有的字節個數。一樣的，它也能夠被設置爲NULL。
若是accept成功返回，則服務器與客戶已經正確創建鏈接了，此時服務器經過accept返回的套接字來完成與客戶的通訊。
注意：
accept默認會阻塞進程，直到有一個客戶鏈接創建後返回，它返回的是一個新可用的套接字，這個套接字是鏈接套接字。
read()、write()等函數
read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()
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);
這幾個函數比較簡單，就不做詳細介紹了。
close()函數
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。
示例：
TCP通訊
服務器
//sever.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
void* handler_data(void* arg)
{
int sock = *((int*)arg);
printf("connect a new client %d\n", sock);
char buf[1024];
memset(buf, '\0', sizeof(buf));
while(1)
{
ssize_t _s = read(sock, buf, sizeof(buf)-1);
if(_s > 0)
{
buf[_s] = '\0';
printf("client[%d] # %s\n", sock, buf);
write(sock, buf, strlen(buf));
}
else if(_s == 0)
{
printf("client[%d] is closed...\n", sock);
break;
}
else
{
break;
}
}
close(sock);
pthread_exit(NULL);
}
int main()
{
int listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(listen_sock < 0)
{
perror("socket");
return 1;
}
struct sockaddr_in local;
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(8080);
local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
if(bind(listen_sock, (const struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
{
perror("bind");
return 2;
}
if(listen(listen_sock, 5) < 0)
{
perror("listen");
return 3;
}
struct sockaddr_in peer;
socklen_t len = sizeof(peer);
while(1)
{
int new_fd = accept(listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);
if(new_fd > 0)
{
pthread_t id;
pthread_create(&id, NULL, handler_data, (void* )&new_fd);
pthread_detach(id);
}
}
return 0;
}
客戶端
//client.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc != 3)
{
printf("error argv\n");
return 1;
}
int conn_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(conn_sock < 0)
{
perror("socket");
return 2;
}
struct sockaddr_in remote;
remote.sin_family = AF_INET;
remote.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
remote.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
if(connect(conn_sock, (const struct sockaddr*)&remote, sizeof(remote)) < 0)
{
perror("connect");
return 3;
}
char buf[1024];
memset(buf, '\0', sizeof(buf));
while(1)
{
printf("please enter# ");
fflush(stdout);
ssize_t _s = read(0, buf, sizeof(buf)-1);
if(_s > 0)
{
buf[_s-1] = '\0';
write(conn_sock, buf, strlen(buf));
read(conn_sock, buf, sizeof(buf));
printf("sever echo# %s\n", buf);
}
}
return 0;
}
程序演示：
運行服務器後，服務器等待TCP鏈接，這裏能夠用三種方式測試：Telnet、瀏覽器、客戶端。
Telnet測試：
瀏覽器測試：
客戶端測試：
注意：在啓動服務器的時候可能會出現以下的狀況：
如今用Ctrl-C把client終止掉，等待大約30秒後，服務器又能夠啓動了。
緣由分析：
雖然server的應用程序終止了,但TCP協議層的鏈接並無徹底斷開,所以不能再次監 聽一樣的server端口。
client終止時自動關閉socket描述符,server的TCP鏈接收到client發送的FIN段後處於TIME_WAIT狀態。TCP協議規定,主動關閉鏈接的一方要處於TIME_WAIT狀態,等待兩個MSL(maximum segment lifetime)的時間後才能回到CLOSED狀態,由於咱們先Ctrl-C終止了server,因此server是主動關閉鏈接的一方,在TIME_WAIT期間仍然不能再次監聽一樣的server端口。MSL在RFC1122中規定爲兩分鐘,可是各操做系統的實現不一樣,在Linux上通常通過半分鐘後就能夠再次啓動server了。
解決這個問題的方法是使用setsockopt()設置socket描述符的選項SO_REUSEADDR爲1,表示容許建立端口號相同但IP地址不一樣的多個socket描述符。在server代碼的socket()和bind()調用之間插入以下代碼:
setsocketopt這個函數這裏不做詳細介紹，有興趣的讀者能夠自行查詢一下。
- 1. socket 編程基礎
- 2. Socket編程基礎
- 3. socket編程基礎
- 4. Socket網絡編程基礎
- 5. Python基礎之（Socket編程）
- 6. c#socket編程基礎
- 7. Python基礎（十）socket編程
- 8. python基礎知socket編程
- 9. TCP Socket 編程基礎
- 10. Socket編程基礎篇
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