socket编程
来源:互联网 发布:2016淘宝618活动规则 编辑:程序博客网 时间:2024/04/29 16:09
一、背景
什么是TCP/IP、UDP?
TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即传输控制协议/网间协议,是一个工业标准的协议集,它是为广域网(WANs)设计的。
UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
这里有一张图,表明了这些协议的关系。
图1
TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。
Socket在哪里呢?
在图1中,我们没有看到Socket的影子,那么它到底在哪里呢?还是用图来说话,一目了然。
图2
原来Socket在这里。
Socket是什么呢?
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层,它是一组接口。在设计模式中,Socket其实就是一个门面模式,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让Socket去组织数据,以符合指定的协议。
二、TCP和UDP介绍
1)基本TCP客户—服务器程序设计基本框架
说明:(三路握手)
1.客户端发送一个SYN段(同步序号)指明客户打算连接的服务器端口,以及初始化序号(ISN) 。
2.服务器发回包含服务器的初始序号的SYN报文段作为应答。同时,将确认序号(ACK)设置为客户的ISN加1以对客户的SYN 报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号。
3.客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认。
2) 基本TCP客户—服务器程序设计基本框架流程图
3) UDP和TCP的对比:
从上面的流程图比较我们可以很明显的看出UDP没有三次握手过程。
简单点说。UDP处理的细节比TCP少。UDP不能保证消息被传送到(它也报告消息没有传送到)目的地。UDP也不保证数据包的传送顺序。UDP把数据发出去后只能希望它能够抵达目的地。
TCP优缺点:
优点:
1.TCP提供以认可的方式显式地创建和终止连接。
2.TCP保证可靠的、顺序的(数据包以发送的顺序接收)以及不会重复的数据传输。
3.TCP处理流控制。
4.允许数据优先
5.如果数据没有传送到,则TCP套接口返回一个出错状态条件。
6.TCP通过保持连续并将数据块分成更小的分片来处理大数据块。—无需程序员知道
缺点: TCP在转移数据时必须创建(并保持)一个连接。这个连接给通信进程增加了开销,让它比UDP速度要慢。
UDP优缺点:
1.UDP不要求保持一个连接
2.UDP没有因接收方认可收到数据包(或者当数据包没有正确抵达而自动重传)而带来的开销。
3.设计UDP的目的是用于短应用和控制消息
4.在一个数据包连接一个数据包的基础上,UDP要求的网络带宽比TCP更小。
三、函数介绍
3.1 socket()函数
int socket(int domain, int type, int protocol);
socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字,而socket()用于创建一个socket描述符(socket descriptor),它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样,后续的操作都有用到它,把它作为参数,通过它来进行一些读写操作。
正如可以给fopen的传入不同参数值,以打开不同的文件。创建socket的时候,也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符,socket函数的三个参数分别为:
- domain:即协议域,又称为协议族(family)。常用的协议族有,AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL(或称AF_UNIX,Unix域socket)、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型,在通信中必须采用对应的地址,如AF_INET决定了要用ipv4地址(32位的)与端口号(16位的)的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
- type:指定socket类型。常用的socket类型有,SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等(socket的类型有哪些?)。
- protocol:故名思意,就是指定协议。常用的协议有,IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等,它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议(这个协议我将会单独开篇讨论!)。
注意:并不是上面的type和protocol可以随意组合的,如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时,会自动选择type类型对应的默认协议。
当我们调用socket创建一个socket时,返回的socket描述字它存在于协议族(address family,AF_XXX)空间中,但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址,就必须调用bind()函数,否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。
3.2、bind()函数
正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函数的三个参数分别为:
- sockfd:即socket描述字,它是通过socket()函数创建了,唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
- addr:一个const struct sockaddr *指针,指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同,如ipv4对应的是: ipv6对应的是:
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 */};
Unix域对应的是: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 */ };
#define UNIX_PATH_MAX 108struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */ char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ };
- addrlen:对应的是地址的长度。
通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址(如ip地址+端口号),用于提供服务,客户就可以通过它来接连服务器;而客户端就不用指定,有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind(),而客户端就不会调用,而是在connect()时由系统随机生成一个。
网络字节序与主机字节序
主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式:不同的CPU有不同的字节序类型,这些字节序是指整数在内存中保存的顺序,这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下:
a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端,高位字节排放在内存的高地址端。
b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端,低位字节排放在内存的高地址端。
网络字节序:4个字节的32 bit值以下面的次序传输:首先是0~7bit,其次8~15bit,然后16~23bit,最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序,因此它又称作网络字节序。字节序,顾名思义字节的顺序,就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序,一个字节的数据没有顺序的问题了。
所以:在将一个地址绑定到socket的时候,请先将主机字节序转换成为网络字节序,而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案!公司项目代码中由于存在这个问题,导致了很多莫名其妙的问题,所以请谨记对主机字节序不要做任何假定,务必将其转化为网络字节序再赋给socket。
3.3、listen()、connect()函数
如果作为一个服务器,在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket,如果客户端这时调用connect()发出连接请求,服务器端就会接收到这个请求。
int listen(int sockfd, int backlog);int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字,第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的,listen函数将socket变为被动类型的,等待客户的连接请求。
connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字,第二参数为服务器的socket地址,第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。
3.4、accept()函数
TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后,就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后,就会调用accept()函数取接收请求,这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了,即类同于普通文件的读写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。
四、源码
- //服务端server.c
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <errno.h>
- #include <string.h>
- #include <sys/types.h>
- #include <netinet/in.h>
- #include <sys/socket.h>
- #include <sys/wait.h>
- #define SERVPORT 6000 /*服务器监听端口号 */
- #define BACKLOG 10 /* 最大同时连接请求数 */
- #define MAXDATASIZE 100 /*每次最大数据传输量*/
- main()
- {
- char buf[MAXDATASIZE];
- int sockfd,client_fd; /*sock_fd:监听socket;client_fd:数据传输socket */
- struct sockaddr_in my_addr; /* 本机地址信息 */
- struct sockaddr_in remote_addr; /* 客户端地址信息 */
- if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
- {
- perror("socket创建出错!");
- exit(1);
- }
- my_addr.sin_family=AF_INET;
- my_addr.sin_port=htons(SERVPORT); /* 将一个无符号短整型数值转换为网络字节序,即大端模式(big-endian) */
- my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /*INADDR_ANY就是指定地址为0.0.0.0的地址,这个地址事实上表示不确定地址,或“所有地址”、“任意地址”*/
- bzero(&(my_addr.sin_zero),8); /* 置字节字符串前8个字节为零且包括'\0', 推荐使用memset替代bzero */
- if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
- {
- perror("bind出错!");
- exit(1);
- }
- if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1)
- {
- perror("listen出错!");
- exit(1);
- }
- while(1)
- {
- sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
- if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&remote_addr, &sin_size)) == -1)
- {
- perror("accept出错");
- continue;
- }
- printf("received a connection from %s\n", inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));
- if (!fork())
- { /* 子进程代码段 */
- if ((recvbytes=recv(client_fd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1)
- {
- perror("recv出错!");
- close(client_fd);
- exit(0);
- }
- buf[recvbytes] = '\0';
- printf("from client Received: %s",buf);
- if (send(client_fd, "thanks!\n", 8, 0) == -1)
- perror("send出错!");
- close(client_fd);
- exit(0);
- }
- close(client_fd);
- }
- }
- //客户端client.c
- #include<stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <errno.h>
- #include <string.h>
- #include <netdb.h>
- #include <sys/types.h>
- #include <netinet/in.h>
- #include <sys/socket.h>
- #define SERVPORT 6000
- #define MAXDATASIZE 100
- main(int argc, char *argv[])
- {
- int sockfd, recvbytes;
- char buf[MAXDATASIZE];
- struct hostent *host;
- struct sockaddr_in serv_addr;
- if (argc < 2)
- {
- fprintf(stderr,"Please enter the server's hostname!\n");
- exit(1);
- }
- if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL)
- {
- herror("gethostbyname出错!");
- exit(1);
- }
- if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
- {
- perror("socket创建出错!");
- exit(1);
- }
- serv_addr.sin_family=AF_INET;
- serv_addr.sin_port=htons(SERVPORT);
- serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
- bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);
- if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
- {
- perror("connect出错!");
- exit(1);
- }
- if (send(sockfd, "hello!\n", 7, 0) == -1)
- {
- perror("send出错!");
- exit(1);
- }
- if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1)
- {
- perror("recv出错!");
- exit(1);
- }
- buf[recvbytes] = '\0';
- printf("Received: %s",buf);
- close(sockfd);
- }
UDP
- //<udp_client.c>
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <string.h>
- #include <unistd.h>
- #include <sys/socket.h>
- #include <arpa/inet.h>
- int main(void)
- {
- int sfd; char buf[1024]; int n, i;
- struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
- socklen_t len;
- sfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
- memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
- serv_addr.sin_family = AF_INET;
- serv_addr.sin_port = htons(8000);
- inet_pton(AF_INET, "192.168.0.36", &serv_addr.sin_addr.s_addr);
- while(1) {
- if(fgets(buf, 1024, stdin) == NULL)
- break;
- sendto(sfd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
- n = recvfrom(sfd, buf, 1024, 0, NULL, NULL);
- write(STDOUT_FILENO, buf, n);
- }
- close(sfd);
- return 0;
- }
- //<udp_server.c>
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <string.h>
- #include <sys/socket.h>
- #include <arpa/inet.h>
- int main(void)
- {
- int sfd; char buf[1024]; int n, i;
- struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
- socklen_t len;
- sfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
- memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
- serv_addr.sin_family = AF_INET;
- serv_addr.sin_port = htons(8000);
- serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
- bind(sfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
- while(1) {
- len = sizeof(cli_addr);
- n = recvfrom(sfd, buf, 1024, 0, (struct sockaddr *)&cli_addr, &len);
- for(i = 0; i < n; i++)
- buf[i] = toupper(buf[i]);
- sendto(sfd, buf, n, 0, (struct sockaddr *)&cli_addr, len);
- }
- close(sfd);
- return 0;
- }
http://blog.csdn.net/aoxiangzhiguanjun/article/details/8862863
http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html
http://soaringeagle.blog.sohu.com/5267097.html
http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7444092
http://goodcandle.cnblogs.com/archive/2005/12/10/294652.aspx
http://blog.163.com/zhangmaochu@126/blog/static/373606222009118103318856/
http://www.cnblogs.com/lebronjames/archive/2010/11/29/1891016.html
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