socket 套接字的使用

socket 服务器端和客户端通信，面向TCP的

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一：socket中TCP的三次握手建立连接详解
我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

客户端向服务器发送一个SYN J
服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
客户端再想服务器发一个确认ACK K+1

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函 数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

客户端步骤：
1、创建套接字
2、向服务器发送连接请求（connect）
3、通信（send/recv)
4、关闭套接字

服务器端步骤：

1、创建用于监听的套接字（socket）
2、将套接字绑定到本地地址和端口上（bind）
3、将套接字设为监听模式（listen）
4、等待客户请求（accept），此处要不断的调用accept
5、通信（send/receive），完成后返回4

6、关闭套接字（closesocket）

二：socket中TCP的四次握手断开连接详解

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：

图示过程如下：
（1）某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
（2）另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
（3）一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；

（4）接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

三：用到的函数

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： 
 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。

3.3、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：实例演示

代码1：

下面编写一个简单的服务器、客户端（使用TCP）——服务器端一直监听本机的6666号端口，如果收到连接请求，将接收请求并接收客户端发来的消息；客户端与服务器端建立连接并发送一条消息。

服务器端代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>#define MAXLINE 4096int main(int argc, char** argv)
{int    listenfd, connfd;struct sockaddr_in     servaddr;char    buff[4096];int     n;if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);exit(0);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(6666);if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);exit(0);}if( listen(listenfd, 10) == -1){printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);exit(0);}printf("======waiting for client's request======\n");while(1){if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);continue;}n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);buff[n] = '\0';printf("recv msg from client: %s\n", buff);close(connfd);}close(listenfd);
}

客户端代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>#define MAXLINE 4096int main(int argc, char** argv)
{int    sockfd, n;char    recvline[4096], sendline[4096];struct sockaddr_in    servaddr;if( argc != 2){printf("usage: ./client <ipaddress>\n");exit(0);}if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno);exit(0);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(6666);if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);exit(0);}if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);exit(0);}printf("send msg to server: \n");fgets(sendline, 4096, stdin);if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0){printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);exit(0);}close(sockfd);exit(0);
}

上面的 服务器使用的是迭代模式的，即只有处理完一个客户端请求才会去处理下一个客户端的请求，这样的服务器处理能力是很弱的，现实中的服务器都需要有并发处理能 力！为了需要并发处理，服务器需要fork()一个新的进程或者线程去处理请求等。

代码2：

客户端：

客户端：#include <WinSock2.h>
#include <stdio.h>
#pragma comment(lib,"Ws2_32.lib.")void main()
{WORD wVersionRequested;WSADATA wsaData;int err;wVersionRequested=MAKEWORD(1,1);err=WSAStartup(wVersionRequested,&wsaData);if (err!=0){return;}if(LOBYTE(wsaData.wVersion)!=1|| HIBYTE(wsaData.wVersion)!=1){WSACleanup();return;}SOCKET sockClient=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);SOCKADDR_IN addrSrv;// 服务器地址信息addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("127.0.0.1");addrSrv.sin_family=AF_INET;addrSrv.sin_port=htons(600);connect(sockClient,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));// 向服务器发送连接请求char recvBuf[100];recv(sockClient,recvBuf,100,0);printf("%s\n",recvBuf);send(sockClient,"Request",strlen("Request")+1,0);closesocket(sockClient);WSACleanup();
}

服务器端：

#include <WinSock2.h>
#include <stdio.h>
#pragma comment(lib,"Ws2_32.lib.")void main()
{/* 加载套接字库 */WORD wVersionRequested;// 所使用套接字的版本号WSADATA wsaData;// 存储套接字版本的有关信息int err;wVersionRequested = MAKEWORD(1,1);// 请求版本号，高位和低位字节均为1err = WSAStartup(wVersionRequested,&wsaData);// 加载套接字if(err != 0){return;}if (LOBYTE(wsaData.wVersion)!=1 ||HIBYTE(wsaData.wVersion)!=1){WSACleanup();//如果高位或低位字节不为1终止对套接字的使用return;}/* 创建用于监听的套接字 */SOCKET sockSrv = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);// 创建套接字，流式套接字，第三个参数设为0则自动选择合适的协议/* 绑定套接字 */SOCKADDR_IN addrSrv;// 服务器地址信息，使用SOCKADDR_IN 代替SOCKETADD, 结构体的大小相等，可强制转换addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);addrSrv.sin_family=AF_INET;addrSrv.sin_port=htons(600);// 使用htons函数转换为网络字节序bind(sockSrv,(SOCKADDR *)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));// 将监听套接字绑定到本地地址和端口上listen(sockSrv,5);// 监听/* 等待客户到来并接收发送数据 */SOCKADDR_IN addrClient;// 接收客户地址信息缓冲区int len=sizeof(SOCKADDR);while(1){SOCKET sockConn = accept(sockSrv,(SOCKADDR*)&addrClient,&len);// 等待接收客户连接请求，并返回连接套接字，利用这个套接字实现通信char sendBuf[100];sprintf(sendBuf,"Welcome %s to www.cnblogs.com/xiao-cheng",inet_ntoa(addrClient.sin_addr));send(sockConn,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);// 发送数据，多加一个长度是字符串结束符char recvBuf[100];recv(sockConn,recvBuf,100,0);// 接收数据printf("%s\n",recvBuf);closesocket(sockConn);}
}