socket网络编程学习之路 第二篇-----socket函数与结构

来源:互联网 发布:网络信息安全注意事项 编辑:程序博客网 时间:2024/05/16 17:58

下面介绍一下socket的相关函数与结构,函数与结构都不多,写几遍之后就可以写的很熟练了。


在网络通信中如何唯一标示一个进程?

首要解决的问题是如何唯一标识一个进程,否则通信无从谈起!在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程,但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题,网络层的“ip地址可以唯一标识网络中的主机,而传输层的“协议+端口可以唯一标识主机中的应用程序(进程)。这样利用三元组(ip地址,协议,端口)就可以标识网络的进程了,网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。


Socket是什么?

上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的,那什么是socket呢?socket起源于Unix,而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”,都可以用“打开open 读写write/read 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现,socket即是一种特殊的文件,一些socket函数就是对其进行的操作(读/IO、打开、关闭),这些函数我们在后面进行介绍。既然socket是“openwrite/readclose”模式的一种实现,那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。


Socket接口方法介绍


(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_INETAF_INET6AF_LOCAL(或称AF_UNIXUnixsocket)、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_STREAMSOCK_DGRAMSOCK_RAWSOCK_PACKETSOCK_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_TCPIPPTOTO_UDPIPPROTO_SCTPIPPROTO_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typeprotocol可以随意组合的,如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol0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 familyAF_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。

(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_INETAF_INET6就是把一个ipv4ipv6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socketbind()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:

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    108

 

struct 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。

(3)connect与listen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, int 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。


(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, int*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。

(5)send函数

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

不论是客户还是服务器应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据。

客户程序一般用send函数向服务器发送请求,而服务器则通常用send函数来向客户程序发送应答。

 

第一个参数指定发送端套接字描述符,服务器端(监听的那端)使用连接套接字,客户端使用本地创建的套接字;

第二个参数指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区

第三个参数指明实际要发送的数据的字节数

第四个参数一般置0。

Socket在阻塞与非阻塞的情况下,发送的一般步骤如下:


当调用该函数时,send先比较待发送数据的长度len和套接字s的发送缓冲的长度,如果len大于s的发送缓冲区的长度,该函数返回SOCKET_ERROR;

如果len小于或者等于s的发送缓冲区的长度,那么send先检查协议是否正在发送s的发送缓冲中的数据,如果是就等待协议把数据发送完,如果协议还没有开始发送s的发送缓冲中的数据或者s的发送缓冲中没有数据,那么 send就比较s的发送缓冲区的剩余空间和len,如果len大于剩余空间大小send就一直等待协议把s的发送缓冲中的数据发送完,如果len小于剩余空间大小send就仅仅把buf中的数据copy到剩余空间里(注意并不是send把s的发送缓冲中的数据传到连接的另一端的,而是协议传的,send仅仅是把buf中的数据copy到s的发送缓冲区的剩余空间里)。如果send函数copy数据成功,就返回实际copy的字节数,如果send在copy数据时出现错误,那么send就返回SOCKET_ERROR;如果send在等待协议传送数据时网络断开的话,那么send函数也返回SOCKET_ERROR。

要注意send函数把buf中的数据成功copy到s的发送缓冲的剩余空间里后它就返回了,但是此时这些数据并不一定马上被传到连接的另一端。如果协议在后续的传送过程中出现网络错误的话,那么下一个Socket函数就会返回SOCKET_ERROR。(每一个除send外的Socket函数在执行的最开始总要先等待套接字的发送缓冲中的数据被协议传送完毕才能继续,如果在等待时出现网络错误,那么该Socket函数就返回 SOCKET_ERROR)。


但是当协议栈中的发送缓冲区中剩余空间小于要发送数据的大小时,这时便体现出了阻塞与非阻塞的区别了:

当调用send函数发送一定长度的数据时,send所做的工作只是把要发送的数据拷贝到socket内部的发送缓冲区中,他执行成功并不能代表数据已经发送出去了。对于阻塞模式的socket,Send函数将不返回直到发送缓冲区中有足够的空间能够容纳要发送的数据的大小,在这种情况下,如果是非阻塞的话那么就直接返回WSAEWOULDDBLOCK来告诉调用者拷贝时摆了,需要自己想办法。

(6)recv函数

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

不论是客户还是服务器应用程序都用recv函数从TCP连接的另一端接收数据。

该函数的第一个参数指定接收端套接字描述符;

第二个参数指明一个缓冲区,该缓冲区用来存放recv函数接收到的数据;

第三个参数指明一次从接收缓冲区中拷贝出来的长度;

第四个参数一般置0。


当应用程序调用recv函数时,recv先等待s的发送缓冲中的数据被协议传送完毕,

如果协议在传送s的发送缓冲中的数据时出现网络错误,那么recv函数返回SOCKET_ERROR,如果s的发送缓冲中没有数据或者数据被协议成功发送完毕后,recv先检查套接字s的接收缓冲区,如果s接收缓冲区中没有数据或者协议正在接收数据,那么recv就一直等待,直到协议把数据接收完毕。当协议把数据接收完毕,recv函数就把s的接收缓冲中的数据copy到buf中(注意协议接收到的数据可能大于buf的长度,所以在这种情况下要调用几次recv函数才能把s的接收缓冲中的数据copy完。recv函数仅仅是copy数据,真正的接收数据是协议来完成的),recv函数返回其实际copy的字节数。如果recv在copy时出错,那么它返回SOCKET_ERROR;如果recv函数在等待协议接收数据时网络中断了,那么它返回0。

该函数的内部机制就是等待接收缓冲区告诉它"你的数据来了“,在阻塞模式下,如果一直的都不到通知,那么就一直阻塞,耗费系统的资源。对于非阻塞模式下,recv会直接返回一个WSAEWOULDDBLOCK,意思是”现在没有数据,待会再看看,你需要自己处理一下”。

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