欢迎您访问程序员文章站本站旨在为大家提供分享程序员计算机编程知识！
您现在的位置是： 首页

Linux之socket编程

程序员文章站 2022-06-30 09:13:54
...
开始正题之前，先简单谈谈每一层的协议
不同协议服务实现
物理层：
数据物理传输 PCS+PMA
链路层：
局域网的连通问题 MAC header    src mac  dest mac l/t 
PPPOE ARP(ARP欺骗 ARP嗅探)
网络层：
网络传输    src ip  dest ip 
路由协议 NAT协议 ICMP
传输层：进程数据传输问题
SRC PORT DEST PORT  TYPE
端口：80 443 22（ssh） 21（ftp） 23（telnet） 3306（mysql） 998 1702 等等分别对应了什么服务
会话层：session
表示层：Socket
应用层：
        HTTP HTTPS SSH TELNET P2P
        FTP  
  原始套接字：
        ICMP SCTP OSPF MPLS RIP PPPOE

首先一个问题！什么是socket？

Linux之socket编程

socket套接字：

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。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/写IO、打开、关闭）.
说白了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。

socket需要什么协议？

最常见的两种是TCP/IP和UDP。
Linux之socket编程

在讲述TCP/IP和UDP之前 我想先讲述一下 什么是ip地址？并且IP的地址的分类？
首先，讲什么的是IP地址

IP地址是指互联网协议地址（英语：Internet Protocol Address，又译为网际协议地址），是IP Address的缩写。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。
IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。IP地址通常用“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数。例：点分十进IP地址（100.4.5.6），实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）。( :smile: 请记住斜体字)

IP地址的分类
Internet上的每台主机(Host)都有一个唯一的IP地址。IP协议就是使用这个地址在主机之间传递信息，这是Internet 能够运行的基础。IP地址的长度为32位(共有2^32个IP地址)，分为4段，每段8位，用十进制数字表示，每段数字范围为0～255，段与段之间用句点隔开。例如159.226.1.1。IP地址可以视为网络标识号码与主机标识号码两部分，因此IP地址可分两部分组成，一部分为网络地址，另一部分为主机地址。IP地址分为A、B、C、D、E5类，它们适用的类型分别为：大型网络；中型网络；小型网络；多目地址；备用。常用的是B和C两类。
如下图所示：

Linux之socket编程

类别 最大网络数 IP地址范围 最大主机数 私有IP地址范围
A 126（2^7-2) 1.0.0.1-126.255.255.254 16777214 10.0.0.0-10.255.255.255
B 16384(2^14) 128.0.0.0-191.255.255.255 65534 172.16.0.0-172.31.255.255
C 2097152(2^21) 192.0.0.0-223.255.255.255 254 192.168.0.0-192.168.255.255
特殊的网址
  1. 每一个字节都为0的地址（“0.0.0.0”）对应于当前主机；
  2. IP地址中的每一个字节都为1的IP地址（“255．255．255．255”）是当前子网的广播地址；
  3. IP地址中凡是以“11110”开头的E类IP地址都保留用于将来和实验使用。
  4. IP地址中不能以十进制“127”作为开头，该类地址中数字127．0．0．1到127．255．255．255用于回路测试，如：127.0.0.1可以代表本机IP地址，用“http://127.0.0.1”就可以测试本机中配置的Web服务器。
  5. 网络ID的第一个8位组也不能全置为“0”，全“0”表示本地网络。
    (来自百度百科 www.baidu.com)

那TCP/IP和UDP分别是什么且有什么区别？

下图很明确的解释了两者的区别。
!

接下来，说一下网络中数据传输的是以什么样的形式传输的？

Linux之socket编程

Linux之socket编程

Linux之socket编程
数据传输过程中层层套头的过程，通信过程中，一方会进行加上这些头，把数据打成包，发送给数据的接收方，接受就会进行一层层的去头，最终得到通信数据。这个过程需要一层一层的协议。

Linux之socket编程

以太网链路层的数据帧格式

Linux之socket编程

IP数据包头

Linux之socket编程

TCP包头

Linux之socket编程

UDP包头

Linux之socket编程

简述通信过程

面向链接的socket通信

Linux之socket编程

面向无链接的socket通信

Linux之socket编程
1. 首先，服务器端需要做以下准备工作：
（1）调用socket()函数。建立socket对象，指定通信协议。
（2）调用bind()函数。将创建的socket对象与当前主机的某一个IP地和端口绑定。
（3）调用listen()函数。使socket对象处于监听状态，并设置监听队列大小。

  1. 客户端需要做以下准备工作：
    （1）调用socket()函数。建立socket()对象，指定相同通信协议。
    （2）应用程序可以显式的调用bind()函数为其绑定IP地址和端口，当然，也可以将这工作交给TCP/IP协议栈。

  2. 接着建立通信连接：
    （1）客户端调用connect()函数。向服务器端发出连接请求。
    （2）服务端监听到该请求，调用accept()函数接受请求，从而建立连接，并返回一个新的socket文件描述符专门处理该连接。
    然后通信双方发送/接收数据：
    （1）服务器端调用write()或send()函数发送数据，客户端调用read()或者recv()函数接收数据。反之客户端发送数据，服务器端接收数据。
    （2）通信完成后，通信双方都需要调用close()或者shutdown()函数关闭socket对象

Socket编程API

1.socket

Linux之socket编程
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：
• protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、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。

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。 :bowtie::stuck_out_tongue_closed_eyes:
特别强调一下这里为什么用的是socklen_t而不是int整形,因为并非所有的机器内部对int类型的规定是的4字节，例如ARM中int就为两字节，为了通信的正常和方便，规定了了socklen_t。
注：这里的sockaddr和sockaddr_in两个结构体，可以相互强转，sockaddr一般传递参数时使用，sockaddr_in一般在自己设置结构的的时候使用。

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。

Linux之socket编程
解决方法：
Linux之socket编程

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。

>

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()之后就向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); //返回连接connect_fd

参数sockfd
参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。
参数addr
这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。
参数len
如同大家所认为的，它也是结果的参数，用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。
如果accept成功返回，则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。
注意：
accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是连接套接字

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)。

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。

TCP/IP的三次握手

Linux之socket编程
Socket编程过程中，我想强调的一点是accept()是一个阻塞函数，并且由它来完成TCP/IP协议中非常极其重要的三次握手，具体过程如上图。

**第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
一个完整的三次握手也就是： 请求—应答—再次确认。**

TCP/IP的四次握手释放

很奇怪为什么一个三次握手需要四次握手来释放呢？
其实，这是由TCP的半关闭(half-close)造成的。
Linux之socket编程
1．为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？
这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。
2．为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？
这是因为虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

实例演示

Linux之socket编程

上一篇： Velocity与jQuery的$发生冲突

下一篇： CMM公共特性总结对照表 CMM项目管理 

推荐阅读