socket通訊原理和實際案例 | TCP/IP協議的應用

時間 2019-12-12

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現階段是如何通信的了？網絡編程幾乎都是用的socket！java

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：ios

一、網絡中進程之間如何通訊？web
二、Socket是什麼？編程
三、socket的基本操做瀏覽器

3.一、socket()函數服務器
3.二、bind()函數網絡
3.三、listen()、connect()函數dom
3.四、accept()函數socket
3.五、read()、write()函數等tcp
3.六、close()函數

四、socket中TCP的三次握手創建鏈接詳解
五、socket中TCP的四次握手釋放鏈接詳解
六、一個例子（實踐一下）
七、留下一個問題，歡迎你們回帖回答！！！

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」。

二、什麼是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。」

三、socket的基本操做

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。

3.一、socket()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：

domain：即協議域，又稱爲協議族（family）。經常使用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型，在通訊中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名做爲地址。
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（socket的類型有哪些？）。
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（這個協議我將會單獨開篇討論！）。

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。

3.二、bind()函數

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：

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 */};

ipv6對應的是：

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域對應的是：

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

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。

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。

3.三、listen()、connect()函數

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。

3.四、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。

3.五、read()、write()等函數

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：

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);

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。

3.六、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。

四、socket中TCP的三次握手創建鏈接詳解

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：

客戶端向服務器發送一個SYN J
服務器向客戶端響應一個SYN K，並對SYN J進行確認ACK J+1
客戶端再想服務器發一個確認ACK K+1

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。

五、socket中TCP的四次握手釋放鏈接詳解

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：

某個應用進程首先調用close主動關閉鏈接，這時TCP發送一個FIN M；
另外一端接收到FIN M以後，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也做爲文件結束符傳遞給應用進程，由於FIN的接收意味着應用進程在相應的鏈接上再也接收不到額外數據；
一段時間以後，接收到文件結束符的應用進程調用close關閉它的socket。這致使它的TCP也發送一個FIN N；
接收到這個FIN的源發送端TCP對它進行確認。

這樣每一個方向上都有一個FIN和ACK。

6.下面給出實現的一個實例

首先，先給出實現的截圖

服務器端代碼以下：

#include "InitSock.h"   
#include <stdio.h>   
#include <iostream>  
using namespace std;  
CInitSock initSock;     // 初始化Winsock庫   
  
int main()   
{   
    // 建立套節字   
    SOCKET sListen = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  
    //用來指定套接字使用的地址格式，一般使用AF_INET  
    //指定套接字的類型，如果SOCK_DGRAM，則用的是udp不可靠傳輸  
    //配合type參數使用，指定使用的協議類型（當指定套接字類型後，能夠設置爲0，由於默認爲UDP或TCP）  
    if(sListen == INVALID_SOCKET)   
    {   
        printf("Failed socket() \n");   
        return 0;   
    }   
       
    // 填充sockaddr_in結構 ,是個結構體  
    /* struct sockaddr_in { 
     
    short sin_family;  //地址族（指定地址格式） ，設爲AF_INET 
    u_short sin_port; //端口號 
    struct in_addr sin_addr; //IP地址 
    char sin_zero[8]; //空子節，設爲空 
    } */  
  
    sockaddr_in sin;   
    sin.sin_family = AF_INET;   
    sin.sin_port = htons(4567);  //1024 ~ 49151：普通用戶註冊的端口號  
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;   
       
    // 綁定這個套節字到一個本地地址   
    if(::bind(sListen, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)   
    {   
        printf("Failed bind() \n");   
        return 0;   
    }   
       
    // 進入監聽模式   
    //2指的是，監聽隊列中容許保持的還沒有處理的最大鏈接數  
  
    if(::listen(sListen, 2) == SOCKET_ERROR)   
    {   
        printf("Failed listen() \n");   
        return 0;   
    }   
       
    // 循環接受客戶的鏈接請求   
    sockaddr_in remoteAddr;    
    int nAddrLen = sizeof(remoteAddr);   
    SOCKET sClient = 0;   
    char szText[] = " TCP Server Demo! \r\n";   
    while(sClient==0)   
    {   
        // 接受一個新鏈接   
        //（(SOCKADDR*)&remoteAddr）一個指向sockaddr_in結構的指針，用於獲取對方地址  
        sClient = ::accept(sListen, (SOCKADDR*)&remoteAddr, &nAddrLen);   
        if(sClient == INVALID_SOCKET)   
        {   
            printf("Failed accept()");   
        }   
           
           
        printf("接受到一個鏈接：%s \r\n", inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr));   
        continue ;   
    }   
  
    while(TRUE)   
    {   
        // 向客戶端發送數據   
        gets(szText) ;   
        ::send(sClient, szText, strlen(szText), 0);   
           
        // 從客戶端接收數據   
        char buff[256] ;   
        int nRecv = ::recv(sClient, buff, 256, 0);   
        if(nRecv > 0)   
        {   
            buff[nRecv] = '\0';   
            printf(" 接收到數據：%s\n", buff);   
        }   
       
    }   
  
    // 關閉同客戶端的鏈接   
    ::closesocket(sClient);   
           
    // 關閉監聽套節字   
    ::closesocket(sListen);   
  
    return 0;   
}

客戶端代碼：

#include "InitSock.h"   
#include <stdio.h>   
#include <iostream>   
using namespace std;  
CInitSock initSock;     // 初始化Winsock庫   
  
int main()   
{   
    // 建立套節字   
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);   
    if(s == INVALID_SOCKET)   
    {   
        printf(" Failed socket() \n");   
        return 0;   
    }   
       
    // 也能夠在這裏調用bind函數綁定一個本地地址   
    // 不然系統將會自動安排   
       
    // 填寫遠程地址信息   
    sockaddr_in servAddr;    
    servAddr.sin_family = AF_INET;   
    servAddr.sin_port = htons(4567);   
    // 注意，這裏要填寫服務器程序（TCPServer程序）所在機器的IP地址   
    // 若是你的計算機沒有聯網，直接使用127.0.0.1便可   
    servAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");   
       
    if(::connect(s, (sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)   
    {   
        printf(" Failed connect() \n");   
        return 0;   
    }   
       
    char buff[256];   
    char szText[256] ;   
       
    while(TRUE)   
    {   
        //從服務器端接收數據   
        int nRecv = ::recv(s, buff, 256, 0);   
        if(nRecv > 0)   
        {   
            buff[nRecv] = '\0';   
            printf("接收到數據：%s\n", buff);   
        }   
  
        // 向服務器端發送數據   
  
        gets(szText) ;   
        szText[255] = '\0';   
        ::send(s, szText, strlen(szText), 0) ;   
           
    }   
       
    // 關閉套節字   
    ::closesocket(s);   
    return 0;   
}

封裝的InitSock.h

#include <winsock2.h>   
#include <stdlib.h>    
#include <conio.h>    
#include <stdio.h>    
  
#pragma comment(lib, "WS2_32")  // 連接到WS2_32.lib   
  
class CInitSock        
{   
public:   
    CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2)   
    {   
        // 初始化WS2_32.dll   
        WSADATA wsaData;   
        WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer);   
        if(::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0)   
        {   
            exit(0);   
        }   
    }   
    ~CInitSock()   
    {      
        ::WSACleanup();    
    }   
};

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