Socket原理與編程基礎（轉）

1、Socket簡介

Socket是進程通信的一種方式，即調用這個網絡庫的一些API函數實現分佈在不一樣主機的相關進程之間的數據交換。

幾個定義：

（1）IP地址：即依照TCP/IP協議分配給本地主機的網絡地址，兩個進程要通信，任一進程首先要知道通信對方的位置，即對方的IP。

（2）端口號：用來辨別本地通信進程，一個本地的進程在通信時均會佔用一個端口號，不一樣的進程端口號不一樣，所以在通信前必需要分配一個沒有被訪問的端口號。

（3）鏈接：指兩個進程間的通信鏈路。

（4）半相關：網絡中用一個三元組能夠在全局惟一標誌一個進程：

（協議，本地地址，本地端口號）

這樣一個三元組，叫作一個半相關,它指定鏈接的每半部分。

（4）全相關：一個完整的網間進程通訊須要由兩個進程組成，而且只能使用同一種高層協議。也就是說，不可能通訊的一端用TCP協議，而另外一端用UDP協議。所以一個完整的網間通訊須要一個五元組來標識：

（協議，本地地址，本地端口號，遠地地址，遠地端口號）

這樣一個五元組，叫作一個相關（association），即兩個協議相同的半相關才能組合成一個合適的相關，或徹底指定組成一鏈接。

 

2、客戶/服務器模式

在TCP/IP網絡應用中，通訊的兩個進程間相互做用的主要模式是客戶/服務器（Client/Server, C/S）模式，即客戶向服務器發出服務請求，服務器接收到請求後，提供相應的服務。客戶/服務器模式的創建基於如下兩點：

（1）首先，創建網絡的原由是網絡中軟硬件資源、運算能力和信息不均等，須要共享，從而造就擁有衆多資源的主機提供服務，資源較少的客戶請求服務這一非對等做用。

（2）其次，網間進程通訊徹底是異步的，相互通訊的進程間既不存在父子關係，又不共享內存緩衝區，所以須要一種機制爲但願通訊的進程間創建聯繫，爲兩者的數據交換提供同步，這就是基於客戶/服務器模式的TCP/IP。

服務器端：

其過程是首先服務器方要先啓動，並根據請求提供相應服務：

（1）打開一通訊通道並告知本地主機，它願意在某一公認地址上的某端口（如FTP的端口可能爲21）接收客戶請求；

（2）等待客戶請求到達該端口；

（3）接收到客戶端的服務請求時，處理該請求併發送應答信號。接收到併發服務請求，要激活一新進程來處理這個客戶請求（如UNIX系統中用fork、exec）。新進程處理此客戶請求，並不須要對其它請求做出應答。服務完成後，關閉此新進程與客戶的通訊鏈路，並終止。

（4）返回第（2）步，等待另外一客戶請求。

（5）關閉服務器

客戶端：

（1）打開一通訊通道，並鏈接到服務器所在主機的特定端口；

（2）向服務器發服務請求報文，等待並接收應答；繼續提出請求......

（3）請求結束後關閉通訊通道並終止。

 

從上面所描述過程可知：

（1）客戶與服務器進程的做用是非對稱的，所以代碼不一樣。

（2）服務器進程通常是先啓動的。只要系統運行，該服務進程一直存在，直到正常或強迫終止。

 

介紹完基礎知識，下面就介紹一些API函數：

 

建立套接字──socket()

應用程序在使用套接字前，首先必須擁有一個套接字，系統調用socket()嚮應用程序提供建立套接字的手段，其調用格式以下：

 

SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol);

 

該調用要接收三個參數：af、type、protocol。參數af指定通訊發生的區域：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中僅支持AF_INET，它是網際網區域。所以，地址族與協議族相同。參數type 描述要創建的套接字的類型。這裏分三種：

（1）一是TCP流式套接字(SOCK_STREAM)提供了一個面向鏈接、可靠的數據傳輸服務，數據無差錯、無重複地發送，且按發送順序接收。內設流量控制，避免數據流超限；數據被看做是字節流，無長度限制。文件傳送協議（FTP）即便用流式套接字。

（2）二是數據報式套接字(SOCK_DGRAM)提供了一個無鏈接服務。數據包以獨立包形式被髮送，不提供無錯保證，數據可能丟失或重複，而且接收順序混亂。網絡文件系統（NFS）使用數據報式套接字。

（3）三是原始式套接字(SOCK_RAW)該接口容許對較低層協議，如IP、ICMP直接訪問。經常使用於檢驗新的協議實現或訪問現有服務中配置的新設備。

參數protocol說明該套接字使用的特定協議，若是調用者不但願特別指定使用的協議，則置爲0，使用默認的鏈接模式。根據這三個參數創建一個套接字，並將相應的資源分配給它，同時返回一個整型套接字號。所以，socket()系統調用實際上指定了相關五元組中的「協議」這一元。

 

指定本地地址──bind()

當一個套接字用socket()建立後，存在一個名字空間(地址族)，但它沒有被命名。bind()將套接字地址（包括本地主機地址和本地端口地址）與所建立的套接字號聯繫起來，即將名字賦予套接字，以指定本地半相關。其調用格式以下：

 

int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

 

參數s是由socket()調用返回的而且未做鏈接的套接字描述符(套接字號)。參數name 是賦給套接字s的本地地址（名字），其長度可變，結構隨通訊域的不一樣而不一樣。namelen代表了name的長度。若是沒有錯誤發生，bind()返回0。不然返回SOCKET_ERROR。

 

創建套接字鏈接──connect()與accept()

這兩個系統調用用於完成一個完整相關的創建，其中connect()用於創建鏈接。accept()用於使服務器等待來自某客戶進程的實際鏈接。

 

connect()的調用格式以下：

 

int PASCAL FAR connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

 

參數s是欲創建鏈接的本地套接字描述符。參數name指出說明對方套接字地址結構的指針。對方套接字地址長度由namelen說明。

 

若是沒有錯誤發生，connect()返回0。不然返回值SOCKET_ERROR。在面向鏈接的協議中，該調用致使本地系統和外部系統之間鏈接實際創建。

 

因爲地址族總被包含在套接字地址結構的前兩個字節中，並經過socket()調用與某個協議族相關。所以bind()和connect()無須協議做爲參數。

 

accept()的調用格式以下：

 

SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);

 

參數s爲本地套接字描述符，在用作accept()調用的參數前應該先調用過listen()。addr 指向客戶方套接字地址結構的指針，用來接收鏈接實體的地址。addr的確切格式由套接字建立時創建的地址族決定。addrlen 爲客戶方套接字地址的長度（字節數）。若是沒有錯誤發生，accept()返回一個SOCKET類型的值，表示接收到的套接字的描述符。不然返回值INVALID_SOCKET。

 

accept()用於面向鏈接服務器。參數addr和addrlen存放客戶方的地址信息。調用前，參數addr 指向一個初始值爲空的地址結構，而addrlen 的初始值爲0；調用accept()後，服務器等待從編號爲s的套接字上接受客戶鏈接請求，而鏈接請求是由客戶方的connect()調用發出的。當有鏈接請求到達時，accept()調用將請求鏈接隊列上的第一個客戶方套接字地址及長度放入addr 和addrlen，並建立一個與s有相同特性的新套接字號。新的套接字可用於處理服務器併發請求。

 

四個套接字系統調用，socket()、bind()、connect()、accept()，能夠完成一個徹底五元相關的創建。socket()指定五元組中的協議元，它的用法與是否爲客戶或服務器、是否面向鏈接無關。bind()指定五元組中的本地二元，即本地主機地址和端口號，其用法與是否面向鏈接有關：在服務器方，不管是否面向鏈接，均要調用bind()，若採用面向鏈接，則能夠不調用bind()，而經過connect()自動完成。若採用無鏈接，客戶方必須使用bind()以得到一個惟一的地址。

 

監聽鏈接──listen()

此調用用於面向鏈接服務器，代表它願意接收鏈接。listen()需在accept()以前調用，其調用格式以下：

 

int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);

 

參數s標識一個本地已創建、還沒有鏈接的套接字號，服務器願意從它上面接收請求。backlog表示請求鏈接隊列的最大長度，用於限制排隊請求的個數，目前容許的最大值爲5。若是沒有錯誤發生，listen()返回0。不然它返回SOCKET_ERROR。

 

listen()在執行調用過程當中可爲沒有調用過bind()的套接字s完成所必須的鏈接，並創建長度爲backlog的請求鏈接隊列。

 

調用listen()是服務器接收一個鏈接請求的四個步驟中的第三步。它在調用socket()分配一個流套接字，且調用bind()給s賦於一個名字以後調用，並且必定要在accept()以前調用。

 

數據傳輸──send()與recv()

當一個鏈接創建之後，就能夠傳輸數據了。經常使用的系統調用有send()和recv()。

send()調用用於s指定的已鏈接的數據報或流套接字上發送輸出數據，格式以下：

 

int PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);

 

參數s爲已鏈接的本地套接字描述符。buf 指向存有發送數據的緩衝區的指針，其長度由len 指定。flags 指定傳輸控制方式，如是否發送帶外數據等。若是沒有錯誤發生，send()返回總共發送的字節數。不然它返回SOCKET_ERROR。

recv()調用用於s指定的已鏈接的數據報或流套接字上接收輸入數據，格式以下：

 

int PASCAL FAR recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);

 

參數s 爲已鏈接的套接字描述符。buf指向接收輸入數據緩衝區的指針，其長度由len 指定。flags 指定傳輸控制方式，如是否接收帶外數據等。若是沒有錯誤發生，recv()返回總共接收的字節數。若是鏈接被關閉，返回0。不然它返回SOCKET_ERROR。

 

輸入/輸出多路複用──select()

select()調用用來檢測一個或多個套接字的狀態。對每個套接字來講，這個調用能夠請求讀、寫或錯誤狀態方面的信息。請求給定狀態的套接字集合由一個fd_set結構指示。在返回時，此結構被更新，以反映那些知足特定條件的套接字的子集，同時， select()調用返回知足條件的套接字的數目，其調用格式以下：

 

int PASCAL FAR select(int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout);

 

參數nfds指明被檢查的套接字描述符的值域，此變量通常被忽略。

 

參數readfds指向要作讀檢測的套接字描述符集合的指針，調用者但願從中讀取數據。參數writefds 指向要作寫檢測的套接字描述符集合的指針。exceptfds指向要檢測是否出錯的套接字描述符集合的指針。timeout指向select()函數等待的最大時間，若是設爲NULL則爲阻塞操做。select()返回包含在fd_set結構中已準備好的套接字描述符的總數目，或者是發生錯誤則返回SOCKET_ERROR。

 

關閉套接字──closesocket()

closesocket()關閉套接字s，並釋放分配給該套接字的資源；若是s涉及一個打開的TCP鏈接，則該鏈接被釋放。closesocket()的調用格式以下：

 

BOOL PASCAL FAR closesocket(SOCKET s);

 

參數s待關閉的套接字描述符。若是沒有錯誤發生，closesocket()返回0。不然返回值SOCKET_ERROR。