socket的基本操作

①socket()函數

②bind()函數

③listen()、connect()函數

④accept()函數

⑤read()、write()函數等

⑥close()函數

1、socket()函數

SOCKET(2) Linux Programmer’s Manual SOCKET(2)

NAME
       socket - create an endpoint for communication

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>

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

domain：即協議域，又稱爲協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型，在通信中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作爲地址。
type：指定socket類型。常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議。

注意：並不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol爲0時，會自動選擇type類型對應的默認協議

當我們調用socket創建一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須調用bind()函數，否則就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。

2、bind()函數

正如上面所說bind()函數把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

NAME
       bind - bind a name to a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>

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

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

函數的三個參數分別爲：

sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數創建了，唯一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。

addr：一個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址創建socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是：

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對應的是：

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域對應的是：

#define UNIX_PATH_MAX    108

struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};

addrlen：對應的是地址的長度。

通常服務器在啓動的時候都會綁定一個衆所周知的地址（如ip地址+端口號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是爲什麼通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網絡字節序與主機字節序

主機字節序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節序類型，這些字節序是指整數在內存中保存的順序，這個叫做主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：

　　a) Little-Endian就是低位字節排放在內存的低地址端，高位字節排放在內存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字節排放在內存的低地址端，低位字節排放在內存的高地址端。

網絡字節序：4個字節的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節序。由於TCP/IP首部中所有的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網絡字節序。字節序，顧名思義字節的順序，就是大於一個字節類型的數據在內存中的存放順序，一個字節的數據沒有順序的問題了。

所以：在將一個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成爲網絡字節序，而不要假定主機字節序跟網絡字節序一樣使用的是Big-Endian。務必將其轉化爲網絡字節序再賦給socket。

下面是本機字節順序跟網絡字節順序相互轉化的函數

NAME
       htonl, htons, ntohl, ntohs - convert values between host and network
       byte order
SYNOPSIS
       #include <arpa/inet.h>

       uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
   uint16_t htons(uint16_t hostshort);
       uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
       uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

h---host 本地主機
to  就是to 了
n  ---net 網絡的意思
l 是 unsigned long

這裏還有一個ine_addr()函數

in_addr_t inet_addr(const char *cp);

inet_addr的功能是將一個點分十進制的IP地址轉換成一個整數

3、listen()、connect()函數

如果作爲一個服務器，在調用socket()、bind()之後就會調用listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時調用connect()發出連接請求，服務器端就會接收到這個請求。

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

listen函數的第一個參數即爲要監聽的socket描述字，第二個參數爲相應socket可以排隊的最大連接個數。socket()函數創建的socket默認是一個主動類型的，listen函數將socket變爲被動類型的，等待客戶的連接請求。

connect函數的第一個參數即爲客戶端的socket描述字，第二參數爲服務器的socket地址，第三個參數爲socket地址的長度。客戶端通過調用connect函數來建立與TCP服務器的連接。

4、accept()函數

TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之後就想TCP服務器發送了一個連接請求。TCP服務器監聽到這個請求之後，就會調用accept()函數取接收請求，這樣連接就建立好了。之後就可以開始網絡I/O操作了，即類同於普通文件的讀寫I/O操作。

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

accept函數的第一個參數爲服務器的socket描述字，第二個參數爲指向struct sockaddr *的指針，用於返回客戶端的協議地址，第三個參數爲協議地址的長度。如果accpet成功，那麼其返回值是由內核自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連接。

注意：accept的第一個參數爲服務器的socket描述字，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱爲監聽socket描述字；而accept函數返回的是已連接的socket描述字。一個服務器通常僅僅只創建一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命週期內一直存在。內核爲每個由服務器進程接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描述字就被關閉。

5、read()、write()函數

萬事具備只欠東風，至此服務器與客戶已經建立好連接了。可以調用網絡I/O進行讀寫操作了，即實現了網絡中不同進程之間的通信！網絡I/O操作有下面幾組：

read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數，這兩個函數是最通用的I/O函數，實際上可以把上面的其它函數都替換成這兩個函數。它們的聲明如下：

       #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函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的字節數，如果返回的值是0表示已經讀到文件的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤爲EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網絡連接出了問題。

write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回-1，並設置errno變量。在網絡程序中，當我們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是全部的數據。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤類型來處理。如果錯誤爲EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果爲EPIPE表示網絡連接出現了問題(對方已經關閉了連接)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了，具體參見man文檔或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

6、close()函數

在服務器與客戶端建立連接之後，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close一個TCP socket的缺省行爲時把該socket標記爲以關閉，然後立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作爲read或write的第一個參數。

注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數爲0的時候，纔會觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接請求。

socket中TCP的三次握手建立連接

我們知道tcp建立連接要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下：

客戶端向服務器發送一個SYN J
服務器向客戶端響應一個SYN K，並對SYN J進行確認ACK J+1
客戶端再想服務器發一個確認ACK K+1

只有就完了三次握手，但是這個三次握手發生在socket的那幾個函數中呢？請看下圖：

圖1、socket中發送的TCP三次握手

從圖中可以看出，當客戶端調用connect時，觸發了連接請求，向服務器發送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態；服務器監聽到連接請求，即收到SYN J包，調用accept函數接收請求向客戶端發送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到服務器的SYN K ，ACK J+1之後，這時connect返回，並對SYN K進行確認；服務器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，連接建立。

總結：客戶端的connect在三次握手的第二個次返回，而服務器端的accept在三次握手的第三次返回。

socket中TCP的四次握手釋放連接

上面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程，及其涉及的socket函數。現在我們介紹socket中的四次握手釋放連接的過程，請看下圖：

圖2、socket中發送的TCP四次握手

圖示過程如下：

某個應用進程首先調用close主動關閉連接，這時TCP發送一個FIN M；
另一端接收到FIN M之後，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也作爲文件結束符傳遞給應用進程，因爲FIN的接收意味着應用進程在相應的連接上再也接收不到額外數據；
一段時間之後，接收到文件結束符的應用進程調用close關閉它的socket。這導致它的TCP也發送一個FIN N；
接收到這個FIN的源發送端TCP對它進行確認。

這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。

6.下面給出實現的一個實例

首先，先給出實現的截圖

服務器端代碼如下：

[cpp] view
plaincopy

#include "InitSock.h"   

#include <stdio.h>   

#include <iostream>  

using namespace std;  

CInitSock initSock;     // 初始化Winsock庫   

int main()   

{   

    // 創建套節字   

    SOCKET sListen = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  

    //用來指定套接字使用的地址格式，通常使用AF_INET  

    //指定套接字的類型，若是SOCK_DGRAM，則用的是udp不可靠傳輸  

    //配合type參數使用，指定使用的協議類型（當指定套接字類型後，可以設置爲0，因爲默認爲UDP或TCP）  

    if(sListen == INVALID_SOCKET)   

    {   

        printf("Failed socket() \n");   

        return 0;   

    }   

    // 填充sockaddr_in結構 ,是個結構體  

    /* struct sockaddr_in { 

    short sin_family;  //地址族（指定地址格式） ，設爲AF_INET 

    u_short sin_port; //端口號 

    struct in_addr sin_addr; //IP地址 

    char sin_zero[8]; //空子節，設爲空 

    } */  

    sockaddr_in sin;   

    sin.sin_family = AF_INET;   

    sin.sin_port = htons(4567);  //1024 ~ 49151：普通用戶註冊的端口號  

    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;   

    // 綁定這個套節字到一個本地地址   

    if(::bind(sListen, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)   

    {   

        printf("Failed bind() \n");   

        return 0;   

    }   

    // 進入監聽模式   

    //2指的是，監聽隊列中允許保持的尚未處理的最大連接數  

    if(::listen(sListen, 2) == SOCKET_ERROR)   

    {   

        printf("Failed listen() \n");   

        return 0;   

    }   

    // 循環接受客戶的連接請求   

    sockaddr_in remoteAddr;    

    int nAddrLen = sizeof(remoteAddr);   

    SOCKET sClient = 0;   

    char szText[] = " TCP Server Demo! \r\n";   

    while(sClient==0)   

    {   

        // 接受一個新連接   

        //（(SOCKADDR*)&remoteAddr）一個指向sockaddr_in結構的指針，用於獲取對方地址  

        sClient = ::accept(sListen, (SOCKADDR*)&remoteAddr, &nAddrLen);   

        if(sClient == INVALID_SOCKET)   

        {   

            printf("Failed accept()");   

        }   

        printf("接受到一個連接：%s \r\n", inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr));   

        continue ;   

    }   

    while(TRUE)   

    {   

        // 向客戶端發送數據   

        gets(szText) ;   

        ::send(sClient, szText, strlen(szText), 0);   

        // 從客戶端接收數據   

        char buff[256] ;   

        int nRecv = ::recv(sClient, buff, 256, 0);   

        if(nRecv > 0)   

        {   

            buff[nRecv] = '\0';   

            printf(" 接收到數據：%s\n", buff);   

        }   

    }   

    // 關閉同客戶端的連接   

    ::closesocket(sClient);   

    // 關閉監聽套節字   

    ::closesocket(sListen);   

    return 0;   

}

客戶端代碼：

[cpp] view
plaincopy

#include "InitSock.h"   

#include <stdio.h>   

#include <iostream>   

using namespace std;  

CInitSock initSock;     // 初始化Winsock庫   

int main()   

{   

    // 創建套節字   

    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);   

    if(s == INVALID_SOCKET)   

    {   

        printf(" Failed socket() \n");   

        return 0;   

    }   

    // 也可以在這裏調用bind函數綁定一個本地地址   

    // 否則系統將會自動安排   

    // 填寫遠程地址信息   

    sockaddr_in servAddr;    

    servAddr.sin_family = AF_INET;   

    servAddr.sin_port = htons(4567);   

    // 注意，這裏要填寫服務器程序（TCPServer程序）所在機器的IP地址   

    // 如果你的計算機沒有聯網，直接使用127.0.0.1即可   

    servAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");   

    if(::connect(s, (sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)   

    {   

        printf(" Failed connect() \n");   

        return 0;   

    }   

    char buff[256];   

    char szText[256] ;   

    while(TRUE)   

    {   

        //從服務器端接收數據   

        int nRecv = ::recv(s, buff, 256, 0);   

        if(nRecv > 0)   

        {   

            buff[nRecv] = '\0';   

            printf("接收到數據：%s\n", buff);   

        }   

        // 向服務器端發送數據   

        gets(szText) ;   

        szText[255] = '\0';   

        ::send(s, szText, strlen(szText), 0) ;   

    }   

    // 關閉套節字   

    ::closesocket(s);   

    return 0;   

}

封裝的InitSock.h

[cpp] view
plaincopy

#include <winsock2.h>   

#include <stdlib.h>    

#include <conio.h>    

#include <stdio.h>    

#pragma comment(lib, "WS2_32")  // 鏈接到WS2_32.lib   

class CInitSock        

{   

public:   

    CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2)   

    {   

        // 初始化WS2_32.dll   

        WSADATA wsaData;   

        WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer);   

        if(::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0)   

        {   

            exit(0);   

        }   

    }   

    ~CInitSock()   

    {      

        ::WSACleanup();    

    }   

};

socket通信原理與實現

1、socket()函數

2、bind()函數

網絡字節序與主機字節序

3、listen()、connect()函數

4、accept()函數

5、read()、write()函數

6、close()函數

socket中TCP的三次握手建立連接

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