TCP/IP协议族通信的socket介绍及编程

一、概念介绍

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。

而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。socket的大致流程如下：

服务器端先初始化socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

二、进程间通信

网络中进程间的通信要解决的第一个问题就是：如何唯一标识一个进程？

本地的进程间通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：1.消息传递（管道、FIFO、消息队列）2.同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）3.共享内存（匿名的和具名的）4.远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）//本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程

TCP/IP协议族帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用**三元组（ip地址，协议，端口）**就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

三、socket接口函数

1、socket()函数

socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。

int socket(int domain, int type, int protocol);//参数：//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。//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。//protocol：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。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

2、bind()函数

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);//参数：//sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建，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。//addrlen：对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会在listen之前会调用bind()进行绑定，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，而是在connect()时由系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。

【注】在将一个地址bind()绑定到socket的时候，要先将主机字节序转换成为网络字节序。

主机字节序：分为大端模式（高位字节存放在内存的低地址端）和小端模式（高位字节存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。

3、listen()函数

服务端在调用socket()、bind()之后，就会调用listen()来监听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);//参数：//sockfd：要监听的socket描述字。//backlog：相应socket可以排队的最大连接个数。

4、connect()函数

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);//参数：//sockfd：客户端的socket描述字。//addr：服务器的socket地址。//addrlen：socket地址的长度。

5、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()函数去接收请求，这样连接就建立好了。

//accept()函数返回的是已连接的socket描述字int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);//参数：//sockfd：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。//addr：指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址。//addrlen：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。

内核为每个由服务器进程接收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。

6、read()函数、write()函数

至此服务器与客户已经建立好了连接。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网络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()

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);//参数：//read()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()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(同read())。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);

7、close()函数

完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字。

int close(int fd);//参数：//fd：相应的socket描述字。

【注】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、socket中TCP的三次握手和四次挥手

1、三次握手

即交换三个分组：

（1）客户端向服务器发送一个SYN J 连接请求——connect()函数；

（2）服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J 进行确认ACK J+1——accept()函数，connect()函数返回；

（3）客户端再向服务器发一个确认ACK K+1——accept()函数返回。

2、四次挥手

（1）客户端的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）服务端接收到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（客户端）TCP对它进行确认。

五、socket编程测试

1、服务端

#include<iostream>#include<winsock.h>#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")using namespace std;void initialization();int main() {//定义长度变量int send_len = 0;int recv_len = 0;int len = 0;//定义发送缓冲区和接受缓冲区char send_buf[100];char recv_buf[100];//定义服务端套接字，接受请求套接字SOCKET s_server;SOCKET s_accept;//服务端地址客户端地址SOCKADDR_IN server_addr;SOCKADDR_IN accept_addr;initialization();//填充服务端信息server_addr.sin_family = AF_INET;//设置地址家族server_addr.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);//设置地址server_addr.sin_port = htons(9999);//设置端口//创建套接字s_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (bind(s_server, (SOCKADDR *)&server_addr, sizeof(SOCKADDR)) == SOCKET_ERROR) {cout << "套接字绑定失败！" << endl;WSACleanup();}else {cout << "套接字绑定成功！" << endl;}//设置套接字为监听状态if (listen(s_server, SOMAXCONN) < 0) {cout << "设置监听状态失败！" << endl;WSACleanup();}else {cout << "设置监听状态成功！" << endl;}cout << "服务端正在监听连接，请稍候...." << endl;//接受连接请求len = sizeof(SOCKADDR);s_accept = accept(s_server, (SOCKADDR *)&accept_addr, &len);if (s_accept == SOCKET_ERROR) {cout << "连接失败！" << endl;WSACleanup();return 0;}cout << "连接建立，准备接受数据" << endl;//接收数据while (1) {recv_len = recv(s_accept, recv_buf, 100, 0);if (recv_len < 0) {cout << "接受失败！" << endl;break;}else {cout << "客户端信息:" << recv_buf << endl;}cout << "请输入回复信息:";cin >> send_buf;send_len = send(s_accept, send_buf, 100, 0);if (send_len < 0) {cout << "发送失败！" << endl;break;}}//关闭套接字closesocket(s_server);closesocket(s_accept);//释放DLL资源WSACleanup();return 0;}void initialization() {//初始化套接字库WORD w_req = MAKEWORD(2, 2);//版本号WSADATA wsadata;int err;err = WSAStartup(w_req, &wsadata);if (err != 0) {cout << "初始化套接字库失败！" << endl;}else {cout << "初始化套接字库成功！" << endl;}//检测版本号if (LOBYTE(wsadata.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsadata.wHighVersion) != 2) {cout << "套接字库版本号不符！" << endl;WSACleanup();}else {cout << "套接字库版本正确！" << endl;}//填充服务端地址信息}

2、客户端

#include<iostream>#include<winsock.h>#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")using namespace std;void initialization();int main() {//定义长度变量int send_len = 0;int recv_len = 0;//定义发送缓冲区和接受缓冲区char send_buf[100];char recv_buf[100];//定义服务端套接字，接受请求套接字SOCKET s_server;//服务端地址客户端地址SOCKADDR_IN server_addr;initialization();//填充服务端信息server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");server_addr.sin_port = htons(9999);//创建套接字s_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (connect(s_server, (SOCKADDR *)&server_addr, sizeof(SOCKADDR)) == SOCKET_ERROR) {cout << "服务器连接失败！" << endl;WSACleanup();}else {cout << "服务器连接成功！" << endl;}//发送,接收数据while (1) {cout << "请输入发送信息:";cin >> send_buf;send_len = send(s_server, send_buf, 100, 0);if (send_len < 0) {cout << "发送失败！" << endl;break;}recv_len = recv(s_server, recv_buf, 100, 0);if (recv_len < 0) {cout << "接受失败！" << endl;break;}else {cout << "服务端信息:" << recv_buf << endl;}}//关闭套接字closesocket(s_server);//释放DLL资源WSACleanup();return 0;}void initialization() {//初始化套接字库WORD w_req = MAKEWORD(2, 2);//版本号WSADATA wsadata;int err;err = WSAStartup(w_req, &wsadata);if (err != 0) {cout << "初始化套接字库失败！" << endl;}else {cout << "初始化套接字库成功！" << endl;}//检测版本号if (LOBYTE(wsadata.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsadata.wHighVersion) != 2) {cout << "套接字库版本号不符！" << endl;WSACleanup();}else {cout << "套接字库版本正确！" << endl;}//填充服务端地址信息}

3、运行结果

参考

Socket原理讲解

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