Socket詳解

我們深諳資訊交流的價值，那網路中進程之間如何通信，如我們每天打開瀏覽器瀏覽網頁時，瀏覽器的進程怎麼與web伺服器通信的？當你用QQ聊天時，QQ進程怎麼與伺服器或你好友所在的QQ進程通訊？這些都得靠socket？那什麼是socket？ socket的類型有哪些？還有socket的基本函數，這些都是本文想介紹的。本文的主要內容如下：

1、網路中進程之間如何溝通？

2、Socket是什麼？

3、socket的基本操作

3.1、socket()函數

3.2、bind()函數

3.3、listen()、connect()函數

socket函數對應於普通檔案的開啟操作。普通檔案的開啟操作傳回一個檔案描述字，而socket()用來建立一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟檔案描述字一樣，後續的操作都有用到它，把它當作參數，透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，以開啟不同的檔案。創建socket的時候，也可以指定不同的參數來建立不同的socket描述符，socket函數的三個參數分別為：

domain：即協定域，又稱為協定族（family）。常用的協定族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱為AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協定族決定了socket的位址類型，在通訊中必須採用對應的位址，如AF_INET決定了要用ipv4位址（32位元的）與連接埠號碼（16位元的）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。常用的協定有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協定、UDP傳輸協定、STCP傳輸協定、TIPC傳輸協定（這個協定我將會單獨開篇討論！）。

注意：並不是上面的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類型對應的預設協定。

當我們呼叫socket建立一個socket時，回傳的socket描述字它存在於協定族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的位址。如果想要給它賦值一個位址，就必須呼叫bind()函數，否則就當呼叫connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個連接埠。

3.2、bind()函數

正如上面所說bind()函數把一個位址族中的特定位址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6位址和埠號組合賦給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，它是透過描述字了一個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的協定位址。這個位址結構根據位址創建socket時的位址協定族的不同而不同，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    108struct 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。

通常伺服器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的位址（如ip位址+連接埠號），用於提供服務，客戶就可以透過它來接連伺服器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個連接埠號碼和自身的ip位址組合。這就是為什麼通常伺服器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機產生一個。

網路位元組序與主機位元組序

主機位元組序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的位元組序類型，這些位元組序是指整數在記憶體中保存的順序，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就是低位元組排放在記憶體的低位址端，高位元組排放在記憶體的高位址端。

　　b) Big-Endian就是高位元組排放在記憶體的低位址端，低位元組排放在記憶體的高位址端。

網路位元組序：4個位元組的32 bit值以下面的次序傳送：首先是0～7bit，其次8～15bit，然後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱為大端位元組序。由於TCP/IP首部中所有的二進位整數在網路中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網路位元組序。位元組序，顧名思義位元的順序，就是大於一個位元組類型的資料在記憶體中的存放順序，一個位元組的資料沒有順序的問題了。

所以：在將一個位址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成為網路字節序，而不要假定主機字節序跟網路字節序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發血案！公司專案代碼中由於存在這個問題，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。

3.3、listen()、connect()函數

如果作為一個伺服器，在呼叫socket()、bind()之後就會呼叫listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時呼叫connect()發出連線請求，伺服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);

listenen函數的第一個參數即為要描述的3個參數參數為對應socket可以排隊的最大連接個數。 socket()函數所建立的socket預設是一個主動類型的，listen函數將socket變成被動型的，等待客戶的連線請求。

connect函數的第一個參數即為客戶端的socket描述字，第二參數為伺服器的socket位址，第三個參數為socket位址的長度。客戶端透過呼叫connect函數來建立與TCP伺服器的連線。

3.4、accept()函數

TCP伺服器端依序呼叫socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket位址了。 TCP客戶端依序呼叫socket()、connect()之後就想TCP伺服器發送了一個連線請求。 TCP伺服器監聽到這個請求之後，就會呼叫accept()函數取接收請求，這樣連線就建立好了。之後就可以開始網路I/O操作了，也就是類別同於一般檔案的讀寫I/O操作。

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

accept函數的第一個參數為伺服器的socket描述字，第二個參數為指向者客戶端的協定位址，第三個參數為協定位址的長度。如果accpet成功，那麼其回傳值是由核心自動產生的一個全新的描述字，代表與傳回客戶的TCP連接。

注意：accept的第一個參數為伺服器的socket描述字，是伺服器開始呼叫socket()函數產生的，稱為監聽socket描述字；而accept函數傳回的是已連接的socket描述字。一個伺服器通常通常只建立一個監聽socket描述字，它在該伺服器的生命週期內一直存在。核心為每個由伺服器程序接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字，當伺服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。

3.5、read()、write()等函數

萬事具備只欠東風，至此伺服器與客戶已經建立好連線了。可以呼叫網路I/O進行讀寫操作了，也就是實現了網咯中不同進程之間的通訊！網路I/O操作有以下幾組：

read()/write()

recv()/send()

readv()/writev()

recvm()/senrecvm()

v )/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。它們的陳述如下：

      #include

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

      ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags); f, size_t len , int flags);

      ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,       len);
      ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags ,                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

     ize_t *addrlen);

     ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

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 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。

4、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：

图1、Socket詳解

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。

总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手释放连接详解

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2、Socket詳解

图示过程如下：

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；

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；

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；

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。

6、一个例子（实践一下）

说了这么多了，动手实践一下。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 4096

int 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&#39;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] = &#39;\0&#39;;
    printf("recv msg from client: %s\n", buff);
    close(connfd);
    }

    close(listenfd);
}

当然上面的代码很简单，也有很多缺点，这就只是简单的演示socket的基本函数使用。其实不管有多复杂的网络程序，都使用的这些基本函数。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。

7、动动手

留下一个问题，欢迎大家回帖回答！！！是否熟悉Linux下网络编程？如熟悉，编写如下程序完成如下功能：

服务器端：

接收地址192.168.100.2的客户端信息，如信息为“Client Query”，则打印“Receive Query”

客户端：

向位址192.168.100.168的伺服器端順序發送訊息“Client Query test”，“Cleint Query”，“Client Query Quit”，然後退出。

題目中出現的ip位址可以依實際情況定。