SOCKET网络程序设计

 

实验原理

     1、关于使用套接字编程的一些基本概念
        (a)半相关与全相关
            半相关
            在网络中用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程： （协议，本地地址，本
            地端口号）这样一个三元组，叫做一个半相关（half-association），它指定
            连接的每半部分。
            全相关
            一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议。
            也就是说，不可能通信的一端用TCP协议，而另一端用UDP协议。因此一个完整的
            网间通信需要一个五元组来标识：
            （协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号）
            这样一个五元组，叫做一个相关（association），即两个协议相同的半相关才
            能组合成一个合适的相关，或完全指定组成一连接。
         (b)TCP/IP协议的地址结构为：
             struct sockaddr_in{
                 short sin_family;            /*AF_INET*/
                 u_short sin_port;            /*16位端口号，网络字节顺序*/
                 struct in_addr sin_addr;     /*32位IP地址，网络字节顺序*/
                 char sin_zero[8];            /*保留*/
             }
         (c)套接字类型
          TCP/IP的socket提供下列三种类型套接字。

　        流式套接字（SOCK_STREAM）
              提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地发送，且
          按发送顺序接收。内设流量控制，避免数据流超限；数据被看作是字节流，无长度
          限制。文件传送协议（FTP）即使用流式套接字。
          数据报式套接字（SOCK_DGRAM）
               提供了一个无连接服务。数据包以独立包形式被发送，不提供无错保证，数
          据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。网络文件系统（NFS）使用数据报式套接
          字。
          原始式套接字（SOCK_RAW）
               该接口允许对较低层协议，如IP、ICMP直接访问。常用于检验新的协议实现
          或访问现有服务中配置的新设备。
          (d)基本套接字系统调用
              为了更好地说明套接字 编程原理，下面给出几个基本套接字系统调用说明。
          (1)创建套接字──socket()
                  应用程序在使用套接字前，首先必须拥有一个套接字，系统调用socket()
              向应用程序提供创建套接字的手段，其调用格式如下：

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

                  该调用要接收三个参数：af、type、protocol。参数af指定通信发生的区
             域，UNIX系统支持的地址族有：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS
             中仅支持AF_INET，它是网际网区域。因此，地址族与协议族相同。参数type描
             述要建立的套接字的类型。参数protocol 说明该套接字使用的特定协议，如果
             调用者不希望特别指定使用的协议，则置为0，使用默认的连接模式。根据这三
             个参数建立一个套接字，并将相应的资源分配给它， 同时返回一个整型套接字
             号。因此，socket()系统调用实际上指定了相关五元组中的“协议”这一元。
          (2)指定本地地址──bind()
                  当一个套接字用socket()创建后，存在一个名字空间(地址族),但它没有
              被命名。bind()将套接字地址（包括本地主机地址和本地端口地址）与所创建
              的套接字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。其调用格式
              如下：

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

                  参数 s 是由 socket() 调用返回的并且未作连接的套接字描述符(套接字
              号)。参数name是赋给套接字s的本地地址（名字），其长度可变，结构随通信
              域的不同而不同。namelen表明了name的长度。
                  如果没有错误发生，bind()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。
                  地址在建立套接字通信过程中起着重要作用，作为一个网络应用程序设计
              者对套接字地址结构必须有明确认识。
           (3)建立套接字连接──connect()与accept()
                  这两个系统调用用于完成一个完整相关的建立，其中connect()用于建立
              连接。无连接的套接字进程也可以调用connect()，但这时在进程之间没有实
              际的报文交换，调用将从本地操作系统直接返回。这样做的优点是程序员不必
              为每一数据指定目的地址，而且如果收到的一个数据报，其目的端口未与任何
              套接字建立“连接”，便能判断该端口不可操作。而accept()用于使服务器等
              待来自某客户进程的实际连接。
              connect()的调用格式如下：

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

                  参数s是欲建立连接的本地套接字描述符。参数name指出说明对方套接字
              地址结构的指针。对方套接字地址长度由namelen说明。
                  如果没有错误发生，connect()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。在面向
              连接的协议中，该调用导致本地系统和外部系统之间连接实际建立。
                  由于地址族总被包含在套接字地址结构的前两个字节中，并通过socket()
              调用与某个协议族相关。因此bind()和connect()无须协议作为参数。
              accept()的调用格式如下：

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

                  参数s为本地套接字描述符，在用做accept() 调用的参数前应该先调用过
              listen()。addr 指向客户方套接字地址结构的指针， 用来接收连接实体的地
              址。addr的确切格式由套接字创建时建立的地址族决定。addrlen 为客户方套
              接字地址的长度（字节数）。如果没有错误发生，accept()返回一个SOCKET类
              型的值，表示接收到的套接字的描述符。否则返回值INVALID_SOCKET。
                  accept()用于面向连接服务器。参数addr和addrlen 存放客户方的地址信
              息。调用前，参数addr 指向一个初始值为空的地址结构，而 addrlen 的初始
              值为0； 调用accept() 后，服务器等待从编号为s的套接字上接受客户连接请
              求，而连接请求是由客户方的connect()调用发出的。当有连接请求到达时，
              accept()调用将请求连接队列上的第一个客户方套接字地址及长度放入addr
              和addrlen，并创建一个与s有相同特性的新套接字号。新的套接字可用于处理
              服务器并发请求。
                  四个套接字系统调用，socket()、bind()、connect()、accept()，可以
              完成一个完全五元相关的建立。socket()指定五元组中的协议元，它的用法与
              是否为客户或服务器、是否面向连接无关。bind()指定五元组中的本地二元，
              即本地主机地址和端口号，其用法与是否面向连接有关：在服务器方，无论是
              否面向连接，均要调用 bind() ；在客户方，若采用面向连接，则可以不调用
              bind()，而通过connect()自动完成。若采用无连接，客户方必须使用bind()
              以获得一个唯一的地址。
                  以上讨论仅对客户/服务器模式而言，实际上套接字的使用是非常灵活
              的，唯一需遵循的原则是进程通信之前，必须建立完整的相关。
           (4)监听连接──listen()
                  此调用用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。listen()需在accept
              ()之前调用，其调用格式如下：

              int listen(SOCKET s, int backlog);

                  参数s标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号， 服务器愿意从它上面
              接收请求。 backlog 表示请求连接队列的最大长度， 用于限制排队请求的个
              数，目前允许的最大值为5。如果没有错误发生，listen()返回0。否则它返回
              SOCKET_ERROR。
                  listen()在执行调用过程中可为没有调用过bind() 的套接字s完成所必须
              的连接，并建立长度为backlog的请求连接队列。
                  调用listen()是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。它在调
              用socket() 分配一个流套接字，且调用bind()给s赋于一个名字之后调用，而
              且一定要在accept()之前调用。
           (5)数据传输──send()与recv()
                  当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有 send() 和
              recv()。
                  send() 调用用于在参数s指定的已连接的数据报或流套接字上发送输出数
              据，格式如下：

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

                  参数s为已连接的本地套接字描述符。buf 指向存有发送数据的缓冲区的
              指针，其长度由 len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否发送带外数据
              等。如果没有错误发生，send()返回总共发送的字节数。否则它返回
              SOCKET_ERROR。
                  recv()调用用于在参数s指定的已连接的数据报或流套接字上接收输入数
              据，格式如下：

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

                  参数s 为已连接的套接字描述符。buf指向接收输入数据缓冲区的指针，
              其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否接收带外数据等。如果
              没有错误发生，recv()返回总共接收的字节数。如果连接被关闭，返回0。否
              则它返回SOCKET_ERROR。
           (6)输入/输出多路复用──select()
                  select()调用用来检测一个或多个套接字的状态。对每一个套接字来说，
              这个调用可以请求读、写或错误状态方面的信息。请求给定状态的套接字集合
              由一个fd_set结构指示。在返回时，此结构被更新，以反映那些满足特定条件
              的套接字的子集，同时， select()调用返回满足条件的套接字的数目，其调
              用格式如下：

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

              参数nfds指明被检查的套接字描述符的值域，此变量一般被忽略。
              参数readfds指向要做读检测的套接字描述符集合的指针，调用者希望从中读
          取数据。 参数 writefds 指向要做写检测的套接字描述符集合的指针。exceptfds
          指向要检测是否出错的套接字描述符集合的指针。timeout指向select()函数等待
          的最大时间，如果设为NULL则为阻塞操作。select()返回包含在fd_set结构中已准
          备好的套接字描述符的总数目，或者是发生错误则返回SOCKET_ERROR。
          (7)关闭套接字──closesocket()
                 closesocket()关闭套接字s，并释放分配给该套接字的资源；如果s涉及一
             个打开的TCP连接，则该连接被释放。closesocket()的调用格式如下：

             BOOL closesocket(SOCKET s);

             参数s待关闭的套接字描述符。如果没有错误发生，closesocket()返回0。否则
         返回值SOCKET_ERROR。

2、用于无连接协议（如UDP）的SOCKET系统调用流程框图：

 

   3、用于面向连接协议（如TCP）的SOCKET系统调用流程框图：