socket通訊簡介
- 高洛峰原創
- 2016-12-13 10:09:181035瀏覽
我們深諳資訊交流的價值，那網路中進程之間如何通信，如我們每天打開瀏覽器瀏覽網頁時，瀏覽器的進程怎麼與web伺服器通信的？當你用QQ聊天時，QQ進程怎麼與伺服器或你好友所在的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。本文的主要內容如下：
1、網路中進程之間如何溝通？
2、Socket是什麼？
3、socket的基本操作
3.1、socket()函數
3.2、bind()函數
3.3、listen()、connect()函數
3.3、listen()、connect()函數3.4、cept(3. )、write()函數等3.6、close()函數4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解6、一個例子（實踐一下）7、留下一個問題，歡迎大家回帖回答！ ！ ！ 1、網路中進程之間如何通訊？ 本地的進程間通訊（IPC）有很多種方式，但可以總結為下面4類：訊息傳遞（管道、FIFO、訊息佇列）同步（互斥量、條件變數、讀取和寫入鎖定、檔案和寫記錄鎖、信號量）共享記憶體（匿名的和具名的）遠端過程呼叫（Solaris門和Sun RPC）但這些都不是本文的主題！我們要討論的是網路中進程之間如何溝通？首要解決的問題是如何唯一標識一個進程，否則通訊無從談起！在本地可以透過進程PID來唯一標識一個進程，但是在網路中這是行不通的。其實TCP/IP協定族已經幫我們解決了這個問題，網路層的「ip位址」可以唯一標識網路中的主機，而傳輸層的「協定+連接埠」可以唯一標識主機中的應用程式（進程）。這樣利用三元組（ip位址，協議，連接埠）就可以標識網路的進程了，網路中的進程通訊就可以利用這個標誌與其它進程進行互動。 使用TCP/IP協定的應用程式通常採用應用程式介面：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網路進程之間的通訊。就目前而言，幾乎所有的應用程式都是採用socket，而現在又是網路時代，網路中進程通訊是無所不在，這就是我為什麼說「一切皆socket」。 2、什麼是Socket？ 上面我們已經知道網路中的進程是透過socket來溝通的，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”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的一個實現，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關閉），這些函數我們在後面進行介紹。 socket一詞的起源在組網領域的首次使用是在1970年2月12日發布的文獻IETF RFC33中發現的，撰寫者為Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據美國電腦歷史博物館的記載，Croker寫道：「命名空間的元素都可稱為套接字介面。一個套接字介面構成一個連接的一端，而一個連接可完全由一對套接字介面規定。種實現，那麼socket就提供了這些操作對應的函數介面。以下以TCP為例，介紹幾個基本的socket介面函數。 3.1、socket()函數int socket(int domain, int type, int protocol);socket函數對應於普通檔案的開啟操作。普通檔案的開啟操作傳回一個檔案描述字，而socket()用來建立一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟檔案描述字一樣，後續的操作都有用到它，把它當作參數，透過它來進行一些讀寫操作。
protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協定有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協定、UDP傳輸協定、STCP傳輸協定、TIPC傳輸協定（這個協定我將會單獨開篇討論！）。
注意：並不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type類型對應的預設協定。
當我們呼叫socket建立一個socket時，回傳的socket描述字它存在於協定族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的位址。如果想要給它賦值一個位址，就必須呼叫bind()函數，否則就當呼叫connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個連接埠。
3.2、bind()函數
正如上面所說bind()函數把一個位址族中的特定位址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6位址和埠號組合賦給socket。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函數的三個參數分別為：
sockfd：即socket描述字，它是透過描述字了一個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的協定位址。這個位址結構依照位址創建socket時的位址協定族的不同而不同，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对应的是：
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域对应的是：
#define UNIX_PATH_MAX 108struct sockaddr_un {
sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */
char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ };addrlen：對應的是位址的長度。
通常伺服器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的位址（如ip位址+連接埠號碼），用於提供服務，客戶可以透過它來接連伺服器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個連接埠號碼和自身的ip位址組合。這就是為什麼通常伺服器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機產生一個。
網路位元組序與主機位元組序
主機位元組序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的位元組序類型，這些位元組序是指整數在記憶體中保存的順序，這個叫做主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：
a) Little-Endian就是低位元組排放在記憶體的低位址端，高位元組排放在記憶體的高位址端。
b) Big-Endian就是高位元組排放在記憶體的低位址端，低位元組排放在記憶體的高位址端。
網路位元組序：4個位元組的32 bit值以下面的次序傳送：首先是0～7bit，其次8～15bit，然後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱為大端位元組序。由於TCP/IP首部中所有的二進位整數在網路中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網路位元組序。位元組序，顧名思義位元的順序，就是大於一個位元組類型的資料在記憶體中的存放順序，一個位元組的資料沒有順序的問題了。
所以：在將一個位址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成為網路字節序，而不要假定主機字節序跟網路字節序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發血案！公司專案代碼中由於存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機字節序不要做任何假定，務必將其轉化為網絡字節序再賦給socket。
3.3、listen()、connect()函數
如果作為一個伺服器，在調用socket()、bind()之後就會調用listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時調用connect()發出連線請求，伺服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為要監聽的socket描述字，第二個參數為對應socket可以排隊的最大連接個數。 socket()函數所建立的socket預設是一個主動類型的，listen函數將socket變成被動型的，等待客戶的連線請求。
connect函數的第一個參數即為客戶端的socket描述字，第二參數為伺服器的socket位址，第三個參數為socket位址的長度。客戶端透過呼叫connect函數來建立與TCP伺服器的連線。
3.4、accept()函數
TCP伺服器端依序呼叫socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket位址了。 TCP客戶端依序呼叫socket()、connect()之後就想TCP伺服器發送了一個連線請求。 TCP伺服器監聽到這個請求之後，就會呼叫accept()函數取接收請求，這樣連線就建立好了。之後就可以開始網路I/O操作了，也就是類別同於一般檔案的讀寫I/O操作。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。
注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。
3.5、read()、write()等函数
万事具备只欠东风，至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：
read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()
我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：
#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函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。
write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。
其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。
3.6、close()函数
在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。
#include <unistd.h> int close(int fd);
close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。
注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。
4、socket中TCP的三次握手建立连接详解
我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：
客户端向服务器发送一个SYN J
服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
客户端再想服务器发一个确认ACK K+1
只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：
图1、socket通訊簡介
从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。
总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。
5、socket中TCP的四次握手释放连接详解
上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：
图2、socket中发送的TCP四次握手
图示过程如下：
某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。
这样每个方向上都有一个FIN和ACK。
6、一个例子（实践一下）
说了这么多了，动手实践一下。下面编写一个简单的服务器、客户端（使用TCP）——服务器端一直监听本机的6666号端口，如果收到连接请求，将接收请求并接收客户端发来的消息；客户端与服务器端建立连接并发送一条消息。
服务器端代码：
服务器端
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAXLINE 4096
int main(int argc, char** argv)
{
int listenfd, connfd;
struct sockaddr_in servaddr;
char buff[4096];
int n;
if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){
printf("create socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(6666);
if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
printf("bind socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
if( listen(listenfd, 10) == -1){
printf("listen socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
printf("======waiting for client's request======/n");
while(1){
if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){
printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);
continue;
}
n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);
buff[n] = '/0';
printf("recv msg from client: %s/n", buff);
close(connfd);
}
close(listenfd);
}客户端代码：
客户端
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAXLINE 4096
int main(int argc, char** argv)
{
int sockfd, n;
char recvline[4096], sendline[4096];
struct sockaddr_in servaddr;
if( argc != 2){
printf("usage: ./client <ipaddress>/n");
exit(0);
}
if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){
printf("create socket error: %s(errno: %d)/n", strerror(errno),errno);
exit(0);
}
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(6666);
if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){
printf("inet_pton error for %s/n",argv[1]);
exit(0);
}
if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){
printf("connect error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
printf("send msg to server: /n");
fgets(sendline, 4096, stdin);
if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)
{
printf("send msg error: %s(errno: %d)/n", strerror(errno), errno);
exit(0);
}
close(sockfd);
exit(0);
}当然上面的代码很简单，也有很多缺点，这就只是简单的演示socket的基本函数使用。其实不管有多复杂的网络程序，都使用的这些基本函数。上面的服务器使用的是迭代模式的，即只有处理完一个客户端请求才会去处理下一个客户端的请求，这样的服务器处理能力是很弱的，现实中的服务器都需要有并发处理能力！为了需要并发处理，服务器需要fork()一个新的进程或者线程去处理请求等。
7、动动手
留下一个问题，欢迎大家回帖回答！！！是否熟悉Linux下网络编程？如熟悉，编写如下程序完成如下功能：
服务器端：
接收地址192.168.100.2的客户端信息，如信息为“Client Query”，则打印“Receive Query”
客户端：
向地址192.168.100.168的服务器端顺序发送信息“Client Query test”，“Cleint Query”，“Client Query Quit”，然后退出。
题目中出现的ip地址可以根据实际情况定。