socket套接字

1. 什么是socket套接字

套接字就像一個(gè)插座，插座需要一個(gè)插頭來(lái)連接雙方才能通電，而socket通信也需要兩個(gè)端，一個(gè)服務(wù)端一個(gè)客戶(hù)端。一般來(lái)說(shuō)，服務(wù)端是被動(dòng)的，客戶(hù)端是主動(dòng)的，也就是說(shuō)服務(wù)端應(yīng)該先啟動(dòng)，啟動(dòng)之后就被動(dòng)的去準(zhǔn)備被（客戶(hù)端）連接以提供服務(wù)，而客戶(hù)端需要服務(wù)的時(shí)候就主動(dòng)去連接服務(wù)器端。

實(shí)際上，socket編程就是網(wǎng)絡(luò)IO編程，同樣也是讀寫(xiě)操作，只不過(guò)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行讀寫(xiě)，通過(guò)read/write和文件描述符來(lái)完成讀寫(xiě)。我們?cè)趧?chuàng)建套接字的時(shí)候，會(huì)得到文件描述符，然后就可以通過(guò)這個(gè)文件描述符來(lái)完成讀寫(xiě)操作。

實(shí)際上，我們?cè)谶M(jìn)程間通信時(shí)用的管道也是在內(nèi)核中分配一塊緩沖區(qū)，這個(gè)緩沖區(qū)是用一個(gè)環(huán)形隊(duì)列來(lái)維護(hù)的，本質(zhì)是內(nèi)存中的一塊存儲(chǔ)空間，在管道的讀寫(xiě)兩端分別對(duì)應(yīng)一個(gè)文件描述符，操作讀端的文件描述符fd就相當(dāng)于操作內(nèi)核緩沖區(qū)。

套接字創(chuàng)建成功后，也會(huì)得到一個(gè)文件描述符fd，通過(guò)fd來(lái)操作一塊內(nèi)核緩沖區(qū)。在服務(wù)器端創(chuàng)建一個(gè)套接字，就會(huì)得到一個(gè)內(nèi)核緩沖區(qū)和文件描述符，這個(gè)緩沖區(qū)分為讀寫(xiě)兩部分。在客戶(hù)端發(fā)數(shù)據(jù)使用的是write操作，當(dāng)我們執(zhí)行write(fd)的時(shí)候，數(shù)據(jù)并不是直接寫(xiě)到網(wǎng)上的，而是先寫(xiě)到文件描述符對(duì)應(yīng)的內(nèi)核緩沖區(qū)中的寫(xiě)緩沖區(qū)部分，寫(xiě)緩沖區(qū)中只要有數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)發(fā)送到服務(wù)器端的讀緩沖區(qū)中，服務(wù)器端通過(guò)read就可以把數(shù)據(jù)讀出。我們所做的只有read和write操作，其他操作都是由操作系統(tǒng)完成的。需要注意的一點(diǎn)是，讀緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀走了之后就沒(méi)有了，和管道一樣。

套接字對(duì)應(yīng)的文件描述符默認(rèn)也是阻塞的，實(shí)際上阻塞是文件描述符對(duì)應(yīng)的文件所擁有的性質(zhì)，而不是read/write的屬性，這兩個(gè)函數(shù)只負(fù)責(zé)讀取或者寫(xiě)數(shù)據(jù)，即阻塞性質(zhì)是對(duì)文件描述符所對(duì)應(yīng)的文件類(lèi)型而言的。

?2. socket編程

- socket是一套網(wǎng)絡(luò)通信的函數(shù)接口

- socket內(nèi)封裝了傳輸層協(xié)議

- TCP

- UDP

socket編程就是使用別人提供的一套網(wǎng)絡(luò)通信接口進(jìn)行編程。比如說(shuō)我們使用瀏覽器搜索內(nèi)容，瀏覽器使用的是HTTP協(xié)議，而HTTP協(xié)議再往下封裝的就是TCP協(xié)議。

在套接字編程時(shí)需要IP和Port：

- IP地址：在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，需要IP來(lái)定位一臺(tái)主機(jī)

- 端口號(hào)Port：在一臺(tái)主機(jī)上，需要Port來(lái)定位一個(gè)進(jìn)程

- IP:Port

?3. 網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序

- 大端：網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序，數(shù)據(jù)的高位字節(jié)存儲(chǔ)在內(nèi)存的低地址。

- 小端：主機(jī)字節(jié)序，數(shù)據(jù)的高位字節(jié)存儲(chǔ)在內(nèi)存的高位地址。常見(jiàn)的主機(jī)數(shù)據(jù)都是小端存儲(chǔ)。

函數(shù)介紹：

#include <arpa/inet.h>

(1) 主機(jī)字節(jié)序轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序

uint16_t htons(uint16_t hostshort); //端口uint32_t htonl(uint32_t hostlong); //IP

(2) 網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序轉(zhuǎn)主機(jī)字節(jié)序

uint16_t ntohs(uint16_t netshort); //端口uint32_t ntohl(uint32_t netlong); //IP

假如說(shuō)我們要將小端字節(jié)序轉(zhuǎn)換為大端字節(jié)序，如果主機(jī)是小端字節(jié)序，這些函數(shù)將參數(shù)做相應(yīng)的大小端轉(zhuǎn)換后返回，如果主機(jī)是大端字節(jié)序，這些函數(shù)將不做任何變換，將參數(shù)原封不動(dòng)的返回。

常見(jiàn)的文件字節(jié)序：

- Adobe PS  ---  Big Endian- BMP             ---    Little Endian- GIF               ---    Little Endian- JPEG             ---    Big Endian- MacPaint     ---    Big Endian- RTF               ---     Little Endian

注：在Java以及所有的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議都是使用Big-Endian編碼。

?4. IP地址轉(zhuǎn)換函數(shù)

指定IP轉(zhuǎn)換為點(diǎn)分十進(jìn)制字符串

- 本地IP轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序：字符串 ---> int(大端方式存儲(chǔ))

  int inet_pton(int af, const char* src, void* dst);

- af：地址簇協(xié)議

- src：點(diǎn)分十進(jìn)制IP

- dest：傳出參數(shù)，轉(zhuǎn)換后的int整形的存放地址

- 網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序轉(zhuǎn)本地IP：int ---> 字符串

  const char *inet_ntop(int af, const void* src, char* dst, socklen_t size);

5. sockaddr數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

- sockaddr

- sockaddrin

- sockaddrun

struct sockaddr {/* address family, AF_xxx */sa_family_t sa_family; /* 14 bytes of protocol address */char sa_data[14];};struct sockaddr_in {__kernel_sa_family_t sin_family;   // 地址族協(xié)議     __be16 sin_port;  // 端口struct in_addr sin_addr;   // IP地址unsigned char __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) - sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];};struct in_addr {__be32 s_addr;};

IPv4地址用socketaddr_in結(jié)構(gòu)體表示，包括16位端口號(hào)和32位IP地址，IPv6地址用socketaddr_in6結(jié)構(gòu)體表示，包括16位端口號(hào)、128位IP地址和一些控制字段。

6. 網(wǎng)絡(luò)套接字函數(shù)

(1) 創(chuàng)建套接字

int?socket(int?domain,?int?type,?int?protocol);

- 創(chuàng)建一個(gè)套接字

- domin

- AF_INET：這是大多數(shù)用來(lái)產(chǎn)生socket的協(xié)議，使用TCP或UDP來(lái)傳輸，使用IPv4的地址；

- AF_INET6：使用IPv6的地址；

- AF_UNIX：本地協(xié)議，使用在Unix和Linux系統(tǒng)上，一般都是當(dāng)客戶(hù)端和服務(wù)器端都在同一臺(tái)機(jī)器上的時(shí)候使用；

- type

- SOCK_STREAM：流式協(xié)議，這個(gè)協(xié)議是按照順序的、可靠的、數(shù)據(jù)類(lèi)型完整的、基于字節(jié)流的連接。這是一個(gè)使用最多的socket類(lèi)型，這個(gè)socket是使用TCP來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)模?/p>

- SOCK_DGRAM：報(bào)式協(xié)議，這個(gè)協(xié)議式無(wú)連接的、固定長(zhǎng)度的傳輸調(diào)用，該協(xié)議是不可靠的，使用UDP進(jìn)行傳輸；

- SOCK_SEQPACKET：該協(xié)議是雙線路的、可靠的連接，發(fā)送固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸，必須把這個(gè)包完整的接收才能進(jìn)行讀?。?/p>

- SOCK_RAW：socket類(lèi)型提供單一的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，這個(gè)socket類(lèi)型使用ICMP公共協(xié)議，ping以及traceroute都使用該協(xié)議；

- SOCK_RDM：這個(gè)類(lèi)型使用較少，在大部分操作系統(tǒng)上沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，它提供給數(shù)據(jù)鏈路層使用，不保證數(shù)據(jù)包的順序；

- protocol：設(shè)置0表示使用默認(rèn)協(xié)議；協(xié)議，常見(jiàn)的協(xié)議有IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、 IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC他們分別對(duì)應(yīng)這TCP傳輸協(xié)議、UDP傳輸協(xié)議、STCP傳輸協(xié)議、TIPC傳輸協(xié)議。當(dāng)protocol為0時(shí)，會(huì)自動(dòng)選擇type類(lèi)型對(duì)應(yīng)的默認(rèn)協(xié)議；

- 返回值為文件描述符（套接字），即創(chuàng)建好的socket套接字的文件描述符。On success, a file descriptor for ?the ?new ?socket ?is ?returned. ? On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

(2) 綁定

int bind(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

- 將本地的IP和端口號(hào)與創(chuàng)建出來(lái)的套接字綁定，將參數(shù)sockfd和addr綁定在一起，使sockfd這個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)通訊的文件描述符監(jiān)聽(tīng)addr所描述的地址和端口號(hào)。

- sockfd：創(chuàng)建出的文件描述符

- addr：端口和IP

- addrlen：addr結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)度，sizeof(addr)

(3) 監(jiān)聽(tīng)

int listen(int sockfd, int backlog);

- 設(shè)置同時(shí)連接到服務(wù)器的客戶(hù)端的個(gè)數(shù)，listen()聲明sockfd處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，并且最多允許有backlog個(gè)客戶(hù)端處于連接等待狀態(tài)，如果接收到更多的連接請(qǐng)求就忽略。

- sockfd：socket函數(shù)創(chuàng)建出來(lái)的文件描述符；

- backlog：同時(shí)能連接的最大數(shù)量，最大值為128；

(4) 接受連接

int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);

- 阻塞等待客戶(hù)端連接請(qǐng)求，并接受連接。

- sockfd：文件描述符，使用socket創(chuàng)建出來(lái)的文件描述符；

- 監(jiān)聽(tīng)的文件描述符；

- addr：存儲(chǔ)客戶(hù)端的端口和IP，是一個(gè)傳出參數(shù)；

- addrlen：傳入傳出參數(shù)（值 - 結(jié)果），傳入sizeof(addr)的大小，函數(shù)返回時(shí)返回真正接收到地址結(jié)構(gòu)體的大??；

- 函數(shù)返回值是一個(gè)套接字，對(duì)應(yīng)客戶(hù)端，服務(wù)器端與客戶(hù)端進(jìn)程通信使用accept的返回值對(duì)應(yīng)的套接字。

(5) 連接

int connect(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

- 客戶(hù)端需要調(diào)用connect()函數(shù)連接服務(wù)器，connect和bind的參數(shù)形式一致，區(qū)別在于bind的參數(shù)是自己的地址，而connect的參數(shù)是對(duì)方的地址。

- sockfd：套接字；

- addr：傳入?yún)?shù)，指定服務(wù)器端地址信息，服務(wù)器端的IP和端口；

- addrlen：第二個(gè)參數(shù)addr的長(zhǎng)度；

7. TCP通信流程圖