Linux的SOCKET編程詳解

1. 網絡中進程之間如何通信

進 程通信的概念最初來源于單機系統。由于每個進程都在自己的地址范圍內運行，為保證兩個相互通信的進

程之間既互不干擾又協調一致工作，操作系統為進程通信提供了相應設施，如

UNIX BSD有：管道（pipe）、命名管道（named pipe）軟中斷信號（signal）

UNIX system V有：消息（message）、共享存儲區（shared memory）和信號量（semaphore)等.

他們都僅限于用在本機進程之間通信。網間進程通信要解決的是不同主機進程間的相互通信問題（可把同機進程通信看作是其中的特例）。為此，首先要解決的是網間進程標識問題。同一主機上，不同進程可用進程號（process ID）唯一標識。但在網絡環境下，各主機獨立分配的進程號不能唯一標識該進程。例如，主機A賦于某進程號5，在B機中也可以存在5號進程，因此，“5號進程”這句話就沒有意義了。其次，操作系統支持的網絡協議眾多，不同協議的工作方式不同，地址格式也不同。因此，網間進程通信還要解決多重協議的識別問題。

其實TCP/IP協議族已經幫我們解決了這個問題，網絡層的“ip地址”可以唯一標識網絡中的主機，而傳輸層的“協議+端口”可以唯一標識主機中的應用程序（進程）。這樣利用三元組（ip地址，協議，端口）就可以標識網絡的進程了，網絡中的進程通信就可以利用這個標志與其它進程進行交互。

使用TCP/IP協議的應用程序通常采用應用編程接口：UNIX ?BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網絡進程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應用程序都是采用socket，而現在又是網絡時代，網絡中進程通信是無處不在，這就是我為什么說“一切皆socket”。

2. 什么是TCP/IP、UDP

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即傳輸控制協議/網間協議，是一個工業標準的協議集，它是為廣域網（WANs）設計的。

TCP/IP協議存在于OS中，網絡服務通過OS提供，在OS中增加支持TCP/IP的系統調用——Berkeley套接字，如Socket，Connect，Send，Recv等

UDP（User Data Protocol，用戶數據報協議）是與TCP相對應的協議。它是屬于TCP/IP協議族中的一種。如圖：

TCP/IP協議族包括運輸層、網絡層、鏈路層，而socket所在位置如圖，Socket是應用層與TCP/IP協議族通信的中間軟件抽象層。

3. Socket是什么

1、 socket套接字：

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。Socket就是該模式的一個實現，? ? ? ? socket即是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關閉）.

說白了Socket是應用層與TCP/IP協議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把復雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket接口后面，對用戶來說，一組簡單的接口就是全部，讓Socket去組織數據，以符合指定的協議。

注意：其實socket也沒有層的概念，它只是一個facade設計模式的應用，讓編程變的更簡單。是一個軟件抽象層。在網絡編程中，我們大量用的都是通過socket實現的。

2、套接字描述符

其實就是一個整數，我們最熟悉的句柄是0、1、2三個，0是標準輸入，1是標準輸出，2是標準錯誤輸出。0、1、2是整數表示的，對應的FILE *結構的表示就是stdin、stdout、stderr

套接字API最初是作為UNIX操作系統的一部分而開發的，所以套接字API與系統的其他I/O設備集成在一起。特別是，當應用程序要為因特網通信而創建一個套接字（socket）時，操作系統就返回一個小整數作為描述符（descriptor）來標識這個套接字。然后，應用程序以該描述符作為傳遞參數，通過調用函數來完成某種操作（例如通過網絡傳送數據或接收輸入的數據）。

在許多操作系統中，套接字描述符和其他I/O描述符是集成在一起的，所以應用程序可以對文件進行套接字I/O或I/O讀/寫操作。

當應用程序要創建一個套接字時，操作系統就返回一個小整數作為描述符，應用程序則使用這個描述符來引用該套接字需要I/O請求的應用程序請求操作系統打開一個文件。操作系統就創建一個文件描述符提供給應用程序訪問文件。從應用程序的角度看，文件描述符是一個整數，應用程序可以用它來讀寫文件。下圖顯示，操作系統如何把文件描述符實現為一個指針數組，這些指針指向內部數據結構。

對于每個程序系統都有一張單獨的表。精確地講，系統為每個運行的進程維護一張單獨的文件描述符表。當進程打開一個文件時，系統把一個指向此文件內部數據結構的指針寫入文件描述符表，并把該表的索引值返回給調用者 。應用程序只需記住這個描述符，并在以后操作該文件時使用它。操作系統把該描述符作為索引訪問進程描述符表，通過指針找到保存該文件所有的信息的數據結構。

針對套接字的系統數據結構：

1）、套接字API里有個函數socket，它就是用來創建一個套接字。套接字設計的總體思路是，單個系統調用就可以創建任何套接字，因為套接字是相當籠統的。一旦套接字創建后，應用程序還需要調用其他函數來指定具體細節。例如調用socket將創建一個新的描述符條目：

2）、雖然套接字的內部數據結構包含很多字段，但是系統創建套接字后，大多數字字段沒有填寫。應用程序創建套接字后在該套接字可以使用之前，必須調用其他的過程來填充這些字段。

3、文件描述符和文件指針的區別：

文件描述符：在linux系統中打開文件就會獲得文件描述符，它是個很小的正整數。每個進程在PCB（Process Control Block）中保存著一份文件描述符表，文件描述符就是這個表的索引，每個表項都有一個指向已打開文件的指針。

文件指針：C語言中使用文件指針做為I/O的句柄。文件指針指向進程用戶區中的一個被稱為FILE結構的數據結構。FILE結構包括一個緩沖區和一個文件描述符。而文件描述符是文件描述符表的一個索引，因此從某種意義上說文件指針就是句柄的句柄（在Windows系統上，文件描述符被稱作文件句柄）。

詳細內容請看linux文件系統：http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/6122513#t7

4. 基本的SOCKET接口函數

在生活中，A要電話給B，A撥號，B聽到電話鈴聲后提起電話，這時A和B就建立起了連接，A和B就可以講話了。等交流結束，掛斷電話結束此次交談。? 打電話很簡單解釋了這工作原理：“open—write/read—close”模式。

服務器端先初始化Socket，然后與端口綁定(bind)，對端口進行監聽(listen)，調用accept阻塞，等待客戶端連接。在這時如果有個客戶端初始化一個Socket，然后連接服務器(connect)，如果連接成功，這時客戶端與服務器端的連接就建立了。客戶端發送數據請求，服務器端接收請求并處理請求，然后把回應數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最后關閉連接，一次交互結束。

這些接口的實現都是內核來完成。具體如何實現，可以看看linux的內核

4.1、socket()函數

int socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd

sockfd是描述符。

socket函數對應于普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個文件描述字，而socket()用于創建一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣，后續的操作都有用到它，把它作為參數，通過它來進行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同參數值，以打開不同的文件。創建socket的時候，也可以指定不同的參數創建不同的socket描述符，socket函數的三個參數分別為：

protofamily：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、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，在通信中必須采用對應的地址，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為地址。

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（socket的類型有哪些？）。

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（這個協議我將會單獨開篇討論！）。

注意：并不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為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描述字它存在于協議族（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。

4.2、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。

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

函數的三個參數分別為：

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。

通常服務器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的地址（如ip地址+端口號），用于提供服務，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。這就是為什么通常服務器端在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，然后16～23bit，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節序。由于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，就是大于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為網絡字節序，而不要假定主機字節序跟網絡字節序一樣使用的是Big-Endian。由于這個問題曾引發過血案！公司項目代碼中由于存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機字節序不要做任何假定，務必將其轉化為網絡字節序再賦給socket。

4.3、listen()、connect()函數

如果作為一個服務器，在調用socket()、bind()之后就會調用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為要監聽的socket描述字，第二個參數為相應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變為被動類型的，等待客戶的連接請求。

connect函數的第一個參數即為客戶端的socket描述字，第二參數為服務器的socket地址，第三個參數為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。

4.4、accept()函數

TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之后，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之后就向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后，就會調用accept()函數取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網絡I/O操作了，即類同于普通文件的讀寫I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回連接connect_fd

參數sockfd

參數sockfd就是上面解釋中的監聽套接字，這個套接字用來監聽一個端口，當有一個客戶與服務器連接時，它使用這個一個端口號，而此時這個端口號正與這個套接字關聯。當然客戶不知道套接字這些細節，它只知道一個地址和一個端口號。

參數addr

這是一個結果參數，它用來接受一個返回值，這返回值指定客戶端的地址，當然這個地址是通過某個地址結構來描述的，用戶應該知道這一個什么樣的地址結構。如果對客戶的地址不感興趣，那么可以把這個值設置為NULL。

參數len

如同大家所認為的，它也是結果的參數，用來接受上述addr的結構的大小的，它指明addr結構所占有的字節個數。同樣的，它也可以被設置為NULL。

如果accept成功返回，則服務器與客戶已經正確建立連接了，此時服務器通過accept返回的套接字來完成與客戶的通信。

注意：

accept默認會阻塞進程，直到有一個客戶連接建立后返回，它返回的是一個新可用的套接字，這個套接字是連接套接字。

此時我們需要區分兩種套接字，

監聽套接字: 監聽套接字正如accept的參數sockfd，它是監聽套接字，在調用listen函數之后，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱為監聽socket描述字(監聽套接字)

連接套接字：一個套接字會從主動連接的套接字變身為一個監聽套接字；而accept函數返回的是已連接socket描述字(一個連接套接字)，它代表著一個網絡已經存在的點點連接。

一個服務器通常通常僅僅只創建一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命周期內一直存在。內核為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。

自然要問的是：為什么要有兩種套接字？原因很簡單，如果使用一個描述字的話，那么它的功能太多，使得使用很不直觀，同時在內核確實產生了一個這樣的新的描述字。

連接套接字socketfd_new 并沒有占用新的端口與客戶端通信，依然使用的是與監聽套接字socketfd一樣的端口號

4.5、read()、write()等函數

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，即實現了網咯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

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

#include

#include

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，小于0表示出現了錯誤。如果錯誤為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，并設置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的返回值大于0，表示寫了部分或者是全部的數據。2)返回的值小于0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤類型來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為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。

4.6、close()函數

在服務器與客戶端建立連接之后，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

int close(int fd);

close一個TCP socket的缺省行為時把該socket標記為以關閉，然后立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作為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，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接請求。

5. Socket中TCP的建立（三次握手）

TCP協議通過三個報文段完成連接的建立，這個過程稱為三次握手(three-way handshake)，過程如下圖所示。

第一次握手：建立連接時，客戶端發送syn包(syn=j)到服務器，并進入SYN_SEND狀態，等待服務器確認；SYN：同步序列編號(Synchronize Sequence Numbers)。

第二次握手：服務器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時自己也發送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時服務器進入SYN_RECV狀態；

第三次握手：客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向服務器發送確認包ACK(ack=k+1)，此包發送完畢，客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手。

一個完整的三次握手也就是：請求---應答---再次確認。

對應的函數接口：

Linux Socket編程 TCP/IP UDP

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