萬字詳解網絡編程之socket

一，socket簡介

1.什么是socket

socket通常也稱作"套接字"，?于描述IP地址和端?，是?個通信鏈的句柄，應用程序通常通過"套接字"向?絡發出請求或者應答?絡請求。?絡通信就是兩個進程間的通信，這兩個進程之間是如何識別彼此的呢？那就是套接字（Socket），每個套接字由?個 IP 地址和?個端?號組成。

Socket起源于Unix，?Unix/Linux基本哲學之?就是“?切皆?件”，對于?件?【打開】【讀寫】【關閉】模式來操作

socket是?種特殊的?件，?些socket函數就是對其進?的操作（打開、讀/寫IO、關閉）。

套接字的類型：

1.流式套接字(SOCK_STREAM)

提供了?個面向連接、可靠的數據傳輸服務，數據?差錯、? ? 重復的發送且按發送順序接收。內設置流量控制，避免數據流 ? 淹沒慢的接收?。數據被看作是字節流，無長度限制。

2. 數據報套接字(SOCK_DGRAM)

提供?連接服務。數據包以獨?數據包的形式被發送，不提供?差錯 ? ?保證，數據可能丟失或重復，順序發送，可能亂序接收。

3.原始套接字(SOCK_RAW)

可以對較低層次協議，如IP、ICMP直接訪問。功能強?但使?較為不便, 主要?于?些協議的開發。

socket在所有的?絡操作系統中是必不可少，它是網絡通信中應?程序對應的進程

和網絡協議之間的接?。

2.網絡字節序

計算機數據存儲有兩種字節優先順序:高位字節優先和低位字節優先。Internet上數據以?位字節優先順序在網絡上傳輸，所以對于在內部是以低位字節優先?式存儲數據的機器，在Internet上傳輸數據時就需要進?轉換，否則就會出現數據不?致。

內存中存儲的多字節數據相對于內存地址有大端和小端之分，網絡數據流同樣有大端小端之分。

主機字節序：就是自己的主機內部，內存中數據的存放?式，可以分為兩種： ?

大端字節序（big-endian）：按照內存的增長方向，高位數據存儲于低位內存中

小端字節序（little-endian）：按照內存的增長方向，高位數據存儲于?位內存中。

?多數Intel兼容機都采??端模式。

編寫一個簡單程序判斷當前機器是大端機還是小端機

test.c

#include <stdio.h>int main()
{unsigned int num = 0x12345678;unsigned char *p = (unsigned char *)&num;if (*p == 0x78){printf("當前是小端機\n");}else if (*p == 0x12){printf("當前是大端機\n");}else{printf("無法判斷\n");}return 0;
}

?絡字節順序： 是TCP/IP中規定好的?種數據表示格式，它與具體的CPU類型、操作系統等?關，?絡數據流同樣有?端?端之分，也就是說,當接收端收到第?個字節的時候,它將這個字節作為?位字節還是低位字節處理.從?可以保證數據在不同主機之間傳輸時能夠被正確解釋。網絡字節順序采?big endian排序?式（?位字節優先）。

?般考慮到計算機中的字符與?絡中的字符存儲順序是不同的，當計算機中的整數與?絡中的整數進?交換時，需要相關的函數進?轉換。

傳輸字節時可分兩種情況：

1.傳輸?個?單字節數據,這時要轉換成?絡字節順序，

2.傳輸?個單字節數據,這時就不需要轉換了,因為單字節數據?所謂G高或低字節優先

涉及相關函數如下：

#include <arpa/inet.h>

/*主機字節順序 --> ?絡字節順序*/

uint32_t htonl(uint32_t hostlong); /* IP*/

uint16_t htons(uint16_t hostshort); /* 端?*/

in_addr_t inet_addr(const char *cp); //將?個點分字符串IP地址轉換為?個32位的?絡序列IP地址。所屬頭?件：Winsock2.h (windows)? ? ? ?arpa/inet.h (Linux)

/*?絡字節順序 --> 主機字節順序*/

uint32_t ntohl(uint32_t netlong); /* IP*/

char *inet_ntoa(struct in_addr in);//將?個32位的?絡字節序轉換為?個點分?進制字符串

struct in_addr //結構體in_addr ?來表示?個32位的IPv4地址。

{

in_addr_t s_addr; //in_addr_t ?般為 32位的unsigned int，其字節順序為?絡順序

};

二，基于TCP/IP協議的socket通信

socket抽象層與體系結構關系示意圖

當我們使?不同的協議進?通信時就得使?不同的接?，還得處理不同協議的各種細節，這就增加了開發的難度，軟件也不易于擴展。于是就出現了socket,socket屏蔽了各個協議的通信細節，使得程序員無需關注協議本身，直接使?socket提供的接?來進?互聯的不同主機間的進程的通信。

?們把socket設計成?件，通過描述符我們可以定位到具體的file結構體，file結構體中有個f_type屬性，標識了?件的類型（?如套接?類型，so_pcb結構內包含了當前主機的地址和端?信息，這給結構的編號就是套接字的?件描述符，和進程的pcb塊類似）

1.?基于TCP/ip的相關通信api簡介

當進程創建?個socket套接字時，操作系統會相應的創建出?個由?件系統管理的socket對象，這個socket對象中包含：發送緩沖區、接收緩沖區、等待隊列、等成員。每?個tcp的套接字(socket)都有兩個緩沖區,發送緩沖區和接收緩沖區都是先進先出的隊列。

其中，等待隊列是?常重要的成員。操作系統會將調動recv阻塞的進程掛在對應socket的等待隊列

中（只是進程的引?，不是進程本身），此時進程進?阻塞態，不會占?CPU資源。

當socket上收到數據后，操作系統會將該socket從等待隊列中重新放回到?作隊列，繼續執?。

1）創建套接字

#include <sys/types.h> /* See NOTES */#include <sys/socket.h>//建??個新的socket(即為建??個通信端?)int socket(int domain, int type, int protocol);成功返回?負的套接字描述符，失敗返回 -1參數說明：domain：即協議域，?稱為協議族（family）Name Purpose Man pageAF_UNIX, AF_LOCAL Local communication unix(7)AF_INET IPv4 Internet protocols ip(7)AF_INET6 IPv6 Internet protocols ipv6(7)AF_IPX IPX - Novell protocolsAF_NETLINK Kernel user interface device netlink(7)AF_X25 ITU-T X.25 / ISO-8208 protocol x25(7)AF_AX25 Amateur radio AX.25 protocolAF_ATMPVC Access to raw ATM PVCsAF_APPLETALK AppleTalk ddp(7)AF_PACKET Low level packet interface packet(7)AF_ALG Interface to kernel crypto APItype：SOCK_STREAM TCPSOCK_DGRAM UDPSOCK_SEQPACKET 為最??度固定的數據報提供有序、可靠、基于雙向連接的數據
傳輸路徑SOCK_RAW 原始套接字SOCK_RDM 提供不保證排序的可靠數據報層。protocol:?于指定socket所使?的傳輸協議編號，通常默認設置為0即可0選擇type類型對應的默認協議；IPPROTO_TCP：TCP傳輸協議；IPPROTO_UDP：UDP傳輸協議；

2）綁定套接字和服務器地址

注意：?般來說，?個端?釋放后會等待兩分鐘之后才能再被使?，SO_REUSEADDR是讓端?釋放后?即就可以被再次使?。SO_REUSEADDR?于對TCP套接字處于TIME_WAIT狀態下的socket，才可以重復綁定使?。server程序總是應該在調?bind()之前設置SO_REUSEADDR套接字選項。先調?close()的??會進?TIME_WAIT狀態。

#include <sys/types.h> /* See NOTES */#include <sys/socket.h>//?來給參數sockfd的socket設置?個名稱，該名稱由addr參數指向的sockadr結構int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrle
n);返回說明：成功返回 0 失敗返回 -1?途：主要?與在TCP中的連接形參說明：sockfd 套接字?件描述符addr 服務器地址信息struct sockaddr {sa_family_t sa_family;char sa_data[14];}但在編程中?般使?下邊這種等價結構sockaddr,對于IPV4我們常?這個結構注意：使?該結構需要包含：#include <netinet/in.h>頭?件 ****struct sockaddr_in {sa_family_t sin_family; IPV4對應AF_INET//htons()u_int16_t sin_port; 端?號//sin_port存儲端?
號（使??絡字節順序）struct in_addr sin_addr; IP地址 //inet_addr()將
字符串形象ip轉?絡字節序};/* Internet address. */struct in_addr {u_int32_t s_addr; IP地址};addrlen addr的?度 sizeof(struct sockaddr)//如果使?IPV6地址，需要?這個結構來定義變量存放ipv6相關信息 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 */};

3）監聽模式

#include <sys/socket.h>//?于等待參數sockfd的scoket連線int listen(int sockfd, int backlog);返回值說明：成功返回0，失敗返回-1sockfd 套接字?件描述符backlog 監聽隊列?度（等待連接的客戶端的個數）缺省值20，最?值為128即為規定了內核應該為相應套接?排隊的最?連接個數

4）等待客戶端連接的到來

#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> //接收socket的連線int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrle
n); 返回值說明：成功返回連接的客戶端的套接字?件描述符 失敗返回 -1參數說明：sockfd 服務器套接字?件描述符addr 客戶端信息地址，做返回值?的，不獲取可以直接輸?NULLaddrlen addr的?度，注意是?個指針類型 ，傳?指定地址的?度，不指定
則NULL

5）客戶端建立socket連線

#include <sys/types.h> /* See NOTES */#include <sys/socket.h>/*?于將參數sockfd的socket連接到參數addr指定的?絡地址*/int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrl
en);addr:服務端的地址addrlen:為scokarr的結構?度返回值：返回0時，表明該連接已經成功建?，返回-1時，表明該連接發?了錯誤，即沒有成
功建?連接。注意：connect() 函數不阻塞，所以在使?之前要確保服務器已經進?等待連接狀態。

6）讀寫函數

讀(read/recvfrom/msgrcv):

讀的本質來說其實不能是讀,在實際中, 具體的接收數據不是由這些調?來進?,是由于系統底層?動完成的。read 也好,recv 也好只負責把數據從底層緩沖copy 到我們指定的位置。

寫(send/write)：

寫的本質也不是進?發送操作,?是把?戶態的數據copy 到系統底層去,然后再由系統進?發送操作,send，write返回成功，只表示數據已經copy 到底層緩沖,?不表示數據已經發出,更不能表示對?端?已經接收到數據。

#include<unistd.h>
//將數據寫?已打開的?件內，寫?count個字節到參數fd所指的?件內。
ssize_t write(int fd,const void*buf,size_t count);
//從已打開的?件中讀取數據
ssize_t read(int fd,void*buf,size_t count);
返回值：讀取到的實際數據數，如果返回0表示已經到達?件末尾或?可讀取的數據，當read()函數
返回值為0時，
表示對端已經關閉了 socket，這時候也要關閉這個socket，否則會導致socket泄露。
當read()或者write()函數返回值?于0時，表示實際從緩沖區讀取或者寫?的字節數?
當read()或者write()返回-1時，?般要判斷errno
?般是讀寫操作超時了，還未返回。這個超時是指socket的SO_RCVTIMEO與SO_SNDTIMEO兩個屬
性。
所以在使?阻塞socket時，不要將超時時間設置的過?。不然返回了-1，
你也不知道是socket連接是真的斷開了，還是正常的?絡抖動。?般情況下，阻塞的socket返回
了-1，
都需要關閉重新連接。
Close()和shutdown()——結束數據傳輸
當所有的數據操作結束以后，你可以調?close()函數來釋放該socket，從?
停?在該socket上的任何數據操作：close(sockfd);

2.并發服務器

TCP服務器?次只能接收?個客戶端的連接的請求，只有在該客戶端的所有請求都滿?后，服務器才可以繼續響應后邊的請求，如果?個客戶端占?服務器不釋放，其他客戶端都不能?作了，因此上述的TCP服務器?稱為循環服務器，鑒于TCP循環服務器的缺陷，很少TCP服務器采?。

為了解決循環TCP服務器的缺陷，?們?想出了并發服務器模型。并發服務器的思想為：每?個客戶端的請求并不由服務器直接處理，?是由服務器創建?個子進程或?線程來解決。

示例程序：

server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>#define PORT 8888
#define BUF_SIZE 1024// 線程函數：處理一個客戶端
void *handle_client(void *arg)
{int client_sock = *(int *)arg;free(arg);char buffer[BUF_SIZE];int n;while ((n = read(client_sock, buffer, BUF_SIZE - 1)) > 0){buffer[n] = '\0';printf("[客戶端消息] %s\n", buffer); // 在服務器端顯示客戶端消息}printf("客戶端斷開連接。\n");close(client_sock);return NULL;
}int main()
{int server_sock, *client_sock;struct sockaddr_in server_addr, client_addr;socklen_t client_len = sizeof(client_addr);// 創建socketserver_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (server_sock < 0){perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}int opt = 1;setsockopt(server_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;server_addr.sin_port = htons(PORT);if (bind(server_sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0){perror("bind");close(server_sock);exit(EXIT_FAILURE);}if (listen(server_sock, 5) < 0){perror("listen");close(server_sock);exit(EXIT_FAILURE);}printf("服務器已啟動，監聽端口 %d...\n", PORT);while (1){client_sock = malloc(sizeof(int));*client_sock = accept(server_sock, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);if (*client_sock < 0){perror("accept");free(client_sock);continue;}printf("新客戶端連接：%s:%d\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port));pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, handle_client, client_sock);pthread_detach(tid);}close(server_sock);return 0;
}

client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>#define PORT 8888
#define BUF_SIZE 1024int main()
{int sock;struct sockaddr_in server_addr;char buffer[BUF_SIZE];// 創建socketsock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sock < 0){perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(PORT);server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // 服務器IPif (connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0){perror("connect");close(sock);exit(EXIT_FAILURE);}printf("已連接到服務器，現在可以輸入消息...\n");while (1){// 從標準輸入讀取消息printf("輸入: ");if (fgets(buffer, BUF_SIZE, stdin) == NULL)break;// 發送到服務器write(sock, buffer, strlen(buffer));}close(sock);return 0;
}

運行結果：

三，基于UDP/IP協議的socket通信

?基于UDP/IP通信的相關api簡介

1）發送UDP報格式數據

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
//把UDP數據報發給指定地址
int sendto (int sockfd, const void *buf, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *to, int tolen);
參數說明：sockfd 套接字?件描述符buf 存放發送的數據len 期望發送的數據?度flags 0to struct sockaddr_in類型，指明UDP數據發往哪?報tolen： 對?地址?度，?般為：sizeof(struct sockaddr_in)。

2）接收UDP報格式數據

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
//接收UDP的數據
int recvfrom(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags, struct sockaddr *from, int *fromlen);
參數意義和sentdo類似，其中romlen傳遞是接收到地址的?度
例如 int p=sizeof(struct adrr_in),最后?個參數就傳為&p

注意：如果數據流量突然增?，也可以通過如下函數設置發送或接收緩沖區的大小。

調整UDP緩沖區??:使用函數setsockopt()函數修改接收緩沖區大小

int setsockopt(int sockfd，int level，int optname，const void *optval，socklen_t optlen);

level:選項定義的層次:?持soL_SOCKET，IPPROTO_TCP，IPPROTO_IP和

IPPROTO_IPV6optname。

需設置得選項so_RCVBUF(接收緩沖區)，So_SNDBUF(發送緩沖區)

3) 創建套接字 (Socket)

在進行任何網絡通信之前，應用程序必須先向操作系統請求一個網絡通信的“端點”，這個端點就是套接字。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>// 創建一個套接字
int socket(int domain, int type, int protocol);```**參數說明：***   `domain`: 指定通信協議族。對于IPv4網絡通信，這個值通常是 `AF_INET`。
*   `type`: 指定套接字的類型。*   對于UDP通信，這個值必須是 `SOCK_DGRAM` (Datagram)，表示這是一個提供數據報服務的套接字，不建立連接，每個數據包都是獨立的。*   （作為對比，TCP使用 `SOCK_STREAM`）
*   `protocol`: 協議類型。通常設置為 `0`，讓系統根據 `domain` 和 `type` 自動選擇最合適的協議（對于 `AF_INET` 和 `SOCK_DGRAM`，系統會選擇IPPROTO_UDP）。**返回值：***   **成功**：返回一個新的文件描述符 (一個非負整數)，代表創建的套接字。后續的所有操作都將通過這個文件描述符進行。
*   **失敗**：返回 `-1`，并設置全局變量 `errno` 來表示錯誤原因。**示例：**
```c
int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

4) 綁定地址和端口 (Bind)

對于需要接收數據的UDP程序（通常是服務器端），必須將其創建的套接字與一個具體的IP地址和端口號關聯起來。這樣，當網絡中有數據包發送到這個IP和端口時，操作系統才知道應該將數據交給哪個程序處理。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>// 將套接字與一個地址綁定
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

參數說明：

sockfd:?socket()?函數返回的套接字文件描述符。
addr: 一個指向?struct sockaddr?結構體的指針，但實際使用中通常傳入一個?struct sockaddr_in?結構體（需要進行類型強制轉換）。該結構體包含了要綁定的IP地址和端口號。
addrlen:?addr?結構體的長度，通常為?sizeof(struct sockaddr_in)。

struct sockaddr_in?結構體詳解：

struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family; // 地址族, 必須是 AF_INETin_port_t      sin_port;   // 端口號 (需要使用 htons() 轉換)struct in_addr sin_addr;   // IPv4 地址
};struct in_addr {uint32_t       s_addr;     // 32位的IPv4地址 (需要使用 inet_addr() 或 INADDR_ANY)
};

注意：?端口號和IP地址必須從“主機字節序”轉換為“網絡字節序”。通常使用?htons()?(Host to Network Short) 來轉換端口，使用?inet_addr("127.0.0.1")?或?INADDR_ANY?(表示綁定到本機所有IP地址) 來設置地址。

返回值：

成功：返回?0。
失敗：返回?-1，并設置?errno。

示例：

struct sockaddr_in servaddr;
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 監聽任意網卡的請求
servaddr.sin_port = htons(8888);       // 綁定到8888端口if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

對于UDP客戶端，通常不需要顯式調用?bind()。因為在第一次調用?sendto()?時，操作系統會自動為其分配一個臨時的端口號。

5) 關閉套接字 (Close)

當通信結束時，應該釋放套接字占用的系統資源。這個操作就像關閉一個文件一樣。

#include <unistd.h>// 關閉一個文件描述符
int close(int fd);

參數說明：

fd: 需要關閉的文件描述符，這里就是?socket()?返回的套接字文件描述符。

返回值：

成功：返回?0。
失敗：返回?-1，并設置?errno。

示例：

printf("通信結束，關閉套接字。\n");
close(sockfd);

總結：一個典型UDP程序的API調用流程

服務器端：
1. socket(): 創建套接字。
2. bind(): 為套接字綁定一個固定的IP和端口，以便客戶端能找到它。
3. recvfrom(): 循環等待并接收來自客戶端的數據。
4. sendto(): （可選）向客戶端發送響應。
5. close(): 程序結束時關閉套接字。
客戶端：
1. socket(): 創建套接字。
2. sendto(): 向服務器的指定IP和端口發送數據。
3. recvfrom(): （可選）接收來自服務器的響應。
4. close(): 程序結束時關閉套接字。