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今天就以本篇文章內(nèi)容給小伙伴們?cè)敿?xì)闡述一下"Socket技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)"。
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一、 什么是"Socket"
在網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)IP我們可以識(shí)別具體的主機(jī)，再根據(jù)tcp協(xié)議+端口我們就可以識(shí)別具體主機(jī)通訊的進(jìn)程了;那么socket在其中扮演者什么樣的角色呢?
我們經(jīng)常把socket定義為套接字，socket是在應(yīng)用層和傳輸層之間的一個(gè)抽象層，它把TCP/IP層復(fù)雜的操作抽象為幾個(gè)簡(jiǎn)單的接口供應(yīng)用層調(diào)用已實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中通信。 下面是網(wǎng)絡(luò)分層以及socket在分層中的實(shí)際位置：
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我們可以發(fā)現(xiàn)socket就在應(yīng)用程序的傳輸層和應(yīng)用層之間，設(shè)計(jì)了一個(gè)socket抽象層，傳輸層的底一層的服務(wù)提供給socket抽象層，socket抽象層再提供給應(yīng)用層，問(wèn)題又來(lái)了，應(yīng)用層和socket抽象層之間和傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層之間如何通訊的呢，要想理解socket編程怎么通過(guò)socket關(guān)鍵詞實(shí)現(xiàn)和客戶端通訊，必須得實(shí)現(xiàn)的了解tcp/ip是怎么通訊的，在這個(gè)的基礎(chǔ)上在去理解socket的握手通訊
在tcp/ip協(xié)議中，tcp通過(guò)三次握手建立起一個(gè)tcp的鏈接，大致如下：
- 第一次握手：客戶端嘗試連接服務(wù)器，向服務(wù)器發(fā)送syn包，syn=j，客戶端進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)等待服務(wù)器確認(rèn)
- 第二次握手：服務(wù)器接收客戶端syn包并確認(rèn)(ack=j+1)，同時(shí)向客戶端發(fā)送一個(gè)SYN包(syn=k)，即SYN+ACK包，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)
- 第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ack=k+1)，此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手
三次握手如下圖：
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根據(jù)tcp的三次握手，socket也定義了三次握手，如下圖：
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在上面圖的基礎(chǔ)上，如果我們得到上面的圖形，需要我們自己開(kāi)發(fā)一些接口。所以程序大牛們將這些抽象化的理念接口化，針對(duì)協(xié)議提出的每個(gè)理念，專門的編寫制定的接口，與其協(xié)議一一對(duì)應(yīng)，形成了現(xiàn)在的socket標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，然后將其接口封裝成可以調(diào)用的接口，供開(kāi)發(fā)者使用，目前，開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)出了很多封裝的類來(lái)完善socket編程，都是更加方便的實(shí)現(xiàn)剛開(kāi)始socket通信的各個(gè)環(huán)節(jié)。
小結(jié)：
- socket即為套接字，在TCP/IP協(xié)議中，"IP地址+TCP或UDP端口號(hào)"唯一的標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊中的一個(gè)進(jìn)程，"IP地址+TCP或UDP端口號(hào)"就為socket。
- 在TCP協(xié)議中，建立連接的兩個(gè)進(jìn)程(客戶端和服務(wù)器)各自有一個(gè)socket來(lái)標(biāo)識(shí)，則這兩個(gè)socket組成的socket pair就唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)連接。
- socket本身就有"插座"的意思，因此用來(lái)形容網(wǎng)絡(luò)連接的一對(duì)一關(guān)系，為TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)的應(yīng)用層編程接口稱為socket API。
二、 socket通信基本原理
通過(guò)上面我們理解了socket通訊過(guò)程，那我們作為編程需要哪些函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)呢，如下：
- 第一次握手：客戶端需要發(fā)送一個(gè)syn j 包，試著去鏈接服務(wù)器端，于是客戶端我們需要提供一個(gè)鏈接函數(shù)
- 第二次握手：服務(wù)器端需要接收客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的syn J+1 包，然后在發(fā)送ack包，所以我們需要有服務(wù)器端接受處理函數(shù)
- 第三次握手：客戶端的處理函數(shù)和服務(wù)器端的處理函數(shù)
三次握手只是一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程，但是，我們傳輸前需要一些準(zhǔn)備工作，比如將創(chuàng)建一個(gè)套接字，收集一些計(jì)算機(jī)的資源，將一些資源綁定套接字里面，以及接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)等等，這些功能接口在一起構(gòu)成了socket的編程
下面大致的按照客戶端和服務(wù)端將所需的函數(shù)和原理過(guò)程：
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首先，服務(wù)端初始化ServerSocket，然后對(duì)指定的端口進(jìn)行綁定，接著對(duì)端口及進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，通過(guò)調(diào)用accept方法阻塞，此時(shí)，如果客戶端有一個(gè)socket連接到服務(wù)端，那么服務(wù)端通過(guò)監(jiān)聽(tīng)和accept方法可以與客戶端進(jìn)行連接。
socket通信基本原理明白后，那我們就寫一個(gè)最簡(jiǎn)單的示例，來(lái)理解通信過(guò)程：
客戶端的代碼：
[cpp] #include#include #pragma comment(lib,"ws2_32.lib") int main() { //SOCKET前的一些檢查，檢查協(xié)議庫(kù)的版本，為了避免別的版本的socket，并且通過(guò) //WSAStartup啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的版本，WSAStartup的參數(shù)一個(gè)是版本信息，一個(gè)是一些詳細(xì)的細(xì)節(jié)，注意高低位 //WSAStartup與WSACleanup對(duì)應(yīng) int err; WORD versionRequired; WSADATA wsaData; versinotallow=MAKEWORD(1,1); err=WSAStartup(versionRequired,&wsaData);//協(xié)議庫(kù)的版本信息 //通過(guò)WSACleanup的返回值來(lái)確定socket協(xié)議是否啟動(dòng) if (!err) { printf("客戶端嵌套字已經(jīng)打開(kāi)! "); } else { printf("客戶端的嵌套字打開(kāi)失敗! "); return 0;//結(jié)束 } //創(chuàng)建socket這個(gè)關(guān)鍵詞，這里想一下那個(gè)圖形中的socket抽象層 //注意socket這個(gè)函數(shù)，他三個(gè)參數(shù)定義了socket的所處的系統(tǒng)，socket的類型，以及一些其他信息 SOCKET clientSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); //socket編程中，它定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)體SOCKADDR_IN來(lái)存計(jì)算機(jī)的一些信息，像socket的系統(tǒng)， //端口號(hào)，ip地址等信息，這里存儲(chǔ)的是服務(wù)器端的計(jì)算機(jī)的信息 SOCKADDR_IN clientsock_in; clientsock_in.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("127.0.0.1"); clientsock_in.sin_family=AF_INET; clientsock_in.sin_port=htons(6000); //前期定義了套接字，定義了服務(wù)器端的計(jì)算機(jī)的一些信息存儲(chǔ)在clientsock_in中， //準(zhǔn)備工作完成后，然后開(kāi)始將這個(gè)套接字鏈接到遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī) //也就是第一次握手 connect(clientSocket,(SOCKADDR*)&clientsock_in,sizeof(SOCKADDR));//開(kāi)始連接 char receiveBuf[100]; //解釋socket里面的內(nèi)容 recv(clientSocket,receiveBuf,101,0); printf("%s ",receiveBuf); //發(fā)送socket數(shù)據(jù) send(clientSocket,"hello,this is client",strlen("hello,this is client")+1,0); //關(guān)閉套接字 closesocket(clientSocket); //關(guān)閉服務(wù) WSACleanup(); return 0; }
對(duì)應(yīng)的服務(wù)端的代碼：
[cpp] #include#include #pragma comment(lib,"ws2_32.lib") int main() { //創(chuàng)建套接字，socket前的一些檢查工作，包括服務(wù)的啟動(dòng) WORD myVersionRequest; WSADATA wsaData; myVersinotallow=MAKEWORD(1,1); int err; err=WSAStartup(myVersionRequest,&wsaData); if (!err) { printf("已打開(kāi)套接字 "); } else { //進(jìn)一步綁定套接字 printf("嵌套字未打開(kāi)!"); return 0; } SOCKET serSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//創(chuàng)建了可識(shí)別套接字 //需要綁定的參數(shù)，主要是本地的socket的一些信息。 SOCKADDR_IN addr; addr.sin_family=AF_INET; addr.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);//ip地址 addr.sin_port=htons(6000);//綁定端口 bind(serSocket,(SOCKADDR*)&addr,sizeof(SOCKADDR));//綁定完成 listen(serSocket,5);//其中第二個(gè)參數(shù)代表能夠接收的最多的連接數(shù) SOCKADDR_IN clientsocket; int len=sizeof(SOCKADDR); while (1) { //第二次握手，通過(guò)accept來(lái)接受對(duì)方的套接字的信息 SOCKET serCnotallow=accept(serSocket,(SOCKADDR*)&clientsocket,&len);//如果這里不是accept而是conection的話。。就會(huì)不斷的監(jiān)聽(tīng) char sendBuf[100]; sprintf(sendBuf,"welcome %s to bejing",inet_ntoa(clientsocket.sin_addr));//找對(duì)對(duì)應(yīng)的IP并且將這行字打印到那里 //發(fā)送信息 send(serConn,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0); char receiveBuf[100];//接收 recv(serConn,receiveBuf,strlen(receiveBuf)+1,0); printf("%s ",receiveBuf); closesocket(serConn);//關(guān)閉 WSACleanup();//釋放資源的操作 } return 0; }
三、 Socket下的函數(shù)詳解
用程序在使用套接字前，首先必須擁有一個(gè)套接字，系統(tǒng)調(diào)用socket()向應(yīng)用程序提供創(chuàng)建套接字的手段，其調(diào)用格式如下：
[cpp] SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol)
該調(diào)用要接收三個(gè)參數(shù)：af、type、protocol。參數(shù)af指定通信發(fā)生的區(qū)域：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中僅支持AF_INET，它是網(wǎng)際網(wǎng)區(qū)域。因此，地址族與協(xié)議族相同。參數(shù)type 描述要建立的套接字的類型。這里分三種：
- 一是TCP流式套接字(SOCK_STREAM)提供了一個(gè)面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)、無(wú)重復(fù)地發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。內(nèi)設(shè)流量控制，避免數(shù)據(jù)流超限;數(shù)據(jù)被看作是字節(jié)流，無(wú)長(zhǎng)度限制。文件傳送協(xié)議(FTP)即使用流式套接字。
- 二是數(shù)據(jù)報(bào)式套接字(SOCK_DGRAM)提供了一個(gè)無(wú)連接服務(wù)。數(shù)據(jù)包以獨(dú)立包形式被發(fā)送，不提供無(wú)錯(cuò)保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復(fù)，并且接收順序混亂。網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS)使用數(shù)據(jù)報(bào)式套接字。
- 三是原始式套接字(SOCK_RAW)該接口允許對(duì)較低層協(xié)議，如IP、ICMP直接訪問(wèn)。常用于檢驗(yàn)新的協(xié)議實(shí)現(xiàn)或訪問(wèn)現(xiàn)有服務(wù)中配置的新設(shè)備。
參數(shù)protocol說(shuō)明該套接字使用的特定協(xié)議，如果調(diào)用者不希望特別指定使用的協(xié)議，則置為0，使用默認(rèn)的連接模式。根據(jù)這三個(gè)參數(shù)建立一個(gè)套接字，并將相應(yīng)的資源分配給它，同時(shí)返回一個(gè)整型套接字號(hào)。因此，socket()系統(tǒng)調(diào)用實(shí)際上指定了相關(guān)五元組中的"協(xié)議"這一元。
1. 指定本地地址──bind()
當(dāng)一個(gè)套接字用socket()創(chuàng)建后，存在一個(gè)名字空間(地址族)，但它沒(méi)有被命名。bind()將套接字地址(包括本地主機(jī)地址和本地端口地址)與所創(chuàng)建的套接字號(hào)聯(lián)系起來(lái)，即將名字賦予套接字，以指定本地半相關(guān)。其調(diào)用格式如下：
[cpp] int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);
參數(shù)s是由socket()調(diào)用返回的并且未作連接的套接字描述符(套接字號(hào))。參數(shù)name 是賦給套接字s的本地地址(名字)，其長(zhǎng)度可變，結(jié)構(gòu)隨通信域的不同而不同。namelen表明了name的長(zhǎng)度。如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，bind()返回0。否則返回SOCKET_ERROR。
2. 建立套接字連接──connect()與accept()
這兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用用于完成一個(gè)完整相關(guān)的建立，其中connect()用于建立連接。accept()用于使服務(wù)器等待來(lái)自某客戶進(jìn)程的實(shí)際連接。
connect()的調(diào)用格式如下：
[cpp] int PASCAL FAR connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);
參數(shù)s是欲建立連接的本地套接字描述符。參數(shù)name指出說(shuō)明對(duì)方套接字地址結(jié)構(gòu)的指針。對(duì)方套接字地址長(zhǎng)度由namelen說(shuō)明。
如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，connect()返回0。否則返回值SOCKET_ERROR。在面向連接的協(xié)議中，該調(diào)用導(dǎo)致本地系統(tǒng)和外部系統(tǒng)之間連接實(shí)際建立。
由于地址族總被包含在套接字地址結(jié)構(gòu)的前兩個(gè)字節(jié)中，并通過(guò)socket()調(diào)用與某個(gè)協(xié)議族相關(guān)。因此bind()和connect()無(wú)須協(xié)議作為參數(shù)。
accept()的調(diào)用格式如下：
[cpp] SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);
參數(shù)s為本地套接字描述符，在用做accept()調(diào)用的參數(shù)前應(yīng)該先調(diào)用過(guò)listen()。addr 指向客戶方套接字地址結(jié)構(gòu)的指針，用來(lái)接收連接實(shí)體的地址。addr的確切格式由套接字創(chuàng)建時(shí)建立的地址族決定。addrlen 為客戶方套接字地址的長(zhǎng)度(字節(jié)數(shù))。如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，accept()返回一個(gè)SOCKET類型的值，表示接收到的套接字的描述符。否則返回值INVALID_SOCKET。
accept()用于面向連接服務(wù)器。參數(shù)addr和addrlen存放客戶方的地址信息。調(diào)用前，參數(shù)addr 指向一個(gè)初始值為空的地址結(jié)構(gòu)，而addrlen 的初始值為0;調(diào)用accept()后，服務(wù)器等待從編號(hào)為s的套接字上接受客戶連接請(qǐng)求，而連接請(qǐng)求是由客戶方的connect()調(diào)用發(fā)出的。當(dāng)有連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，accept()調(diào)用將請(qǐng)求連接隊(duì)列上的第一個(gè)客戶方套接字地址及長(zhǎng)度放入addr 和addrlen，并創(chuàng)建一個(gè)與s有相同特性的新套接字號(hào)。新的套接字可用于處理服務(wù)器并發(fā)請(qǐng)求。
四個(gè)套接字系統(tǒng)調(diào)用，socket()、bind()、connect()、accept()，可以完成一個(gè)完全五元相關(guān)的建立。socket()指定五元組中的協(xié)議元，它的用法與是否為客戶或服務(wù)器、是否面向連接無(wú)關(guān)。bind()指定五元組中的本地二元，即本地主機(jī)地址和端口號(hào)，其用法與是否面向連接有關(guān)：在服務(wù)器方，無(wú)論是否面向連接，均要調(diào)用bind()，若采用面向連接，則可以不調(diào)用bind()，而通過(guò)connect()自動(dòng)完成。若采用無(wú)連接，客戶方必須使用bind()以獲得一個(gè)唯一的地址。
3. 監(jiān)聽(tīng)連接──listen()
此調(diào)用用于面向連接服務(wù)器，表明它愿意接收連接。listen()需在accept()之前調(diào)用，其調(diào)用格式如下：
[cpp] int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);
參數(shù)s標(biāo)識(shí)一個(gè)本地已建立、尚未連接的套接字號(hào)，服務(wù)器愿意從它上面接收請(qǐng)求。backlog表示請(qǐng)求連接隊(duì)列的最大長(zhǎng)度，用于限制排隊(duì)請(qǐng)求的個(gè)數(shù)，目前允許的最大值為5。如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，listen()返回0。否則它返回SOCKET_ERROR。
listen()在執(zhí)行調(diào)用過(guò)程中可為沒(méi)有調(diào)用過(guò)bind()的套接字s完成所必須的連接，并建立長(zhǎng)度為backlog的請(qǐng)求連接隊(duì)列。
調(diào)用listen()是服務(wù)器接收一個(gè)連接請(qǐng)求的四個(gè)步驟中的第三步。它在調(diào)用socket()分配一個(gè)流套接字，且調(diào)用bind()給s賦于一個(gè)名字之后調(diào)用，而且一定要在accept()之前調(diào)用。
4. 數(shù)據(jù)傳輸──send()與recv()
當(dāng)一個(gè)連接建立以后，就可以傳輸數(shù)據(jù)了。常用的系統(tǒng)調(diào)用有send()和recv()。
send()調(diào)用用于s指定的已連接的數(shù)據(jù)報(bào)或流套接字上發(fā)送輸出數(shù)據(jù)，格式如下：
[cpp] int PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);
參數(shù)s為已連接的本地套接字描述符。buf 指向存有發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的指針，其長(zhǎng)度由len 指定。flags 指定傳輸控制方式，如是否發(fā)送帶外數(shù)據(jù)等。如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，send()返回總共發(fā)送的字節(jié)數(shù)。否則它返回SOCKET_ERROR。
recv()調(diào)用用于s指定的已連接的數(shù)據(jù)報(bào)或流套接字上接收輸入數(shù)據(jù)，格式如下：
[cpp] int PASCAL FAR recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);
參數(shù)s 為已連接的套接字描述符。buf指向接收輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針，其長(zhǎng)度由len 指定。flags 指定傳輸控制方式，如是否接收帶外數(shù)據(jù)等。如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，recv()返回總共接收的字節(jié)數(shù)。如果連接被關(guān)閉，返回0。否則它返回SOCKET_ERROR。
輸入/輸出多路復(fù)用──select()：
select()調(diào)用用來(lái)檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)套接字的狀態(tài)。對(duì)每一個(gè)套接字來(lái)說(shuō)，這個(gè)調(diào)用可以請(qǐng)求讀、寫或錯(cuò)誤狀態(tài)方面的信息。請(qǐng)求給定狀態(tài)的套接字集合由一個(gè)fd_set結(jié)構(gòu)指示。在返回時(shí)，此結(jié)構(gòu)被更新，以反映那些滿足特定條件的套接字的子集，同時(shí)， select()調(diào)用返回滿足條件的套接字的數(shù)目，其調(diào)用格式如下：
[cpp] int PASCAL FAR select(int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout);
參數(shù)nfds指明被檢查的套接字描述符的值域，此變量一般被忽略。
參數(shù)readfds指向要做讀檢測(cè)的套接字描述符集合的指針，調(diào)用者希望從中讀取數(shù)據(jù)。參數(shù)writefds 指向要做寫檢測(cè)的套接字描述符集合的指針。exceptfds指向要檢測(cè)是否出錯(cuò)的套接字描述符集合的指針。timeout指向select()函數(shù)等待的最大時(shí)間，如果設(shè)為NULL則為阻塞操作。select()返回包含在fd_set結(jié)構(gòu)中已準(zhǔn)備好的套接字描述符的總數(shù)目，或者是發(fā)生錯(cuò)誤則返回SOCKET_ERROR。
5. 關(guān)閉套接字──closesocket()
closesocket()關(guān)閉套接字s，并釋放分配給該套接字的資源;如果s涉及一個(gè)打開(kāi)的TCP連接，則該連接被釋放。closesocket()的調(diào)用格式如下：
[cpp] BOOL PASCAL FAR closesocket(SOCKET s);
參數(shù)s待關(guān)閉的套接字描述符。如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，closesocket()返回0。否則返回值SOCKET_ERROR。
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