socket编程

一、背景

什么是TCP/IP、UDP？

         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。
        这里有一张图，表明了这些协议的关系。

                                                                                

                                                                        图1

       TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。
Socket在哪里呢？
       在图1中，我们没有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？还是用图来说话，一目了然。

图2

       原来Socket在这里。
Socket是什么呢？
       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。

二、TCP和UDP介绍

1）基本TCP客户—服务器程序设计基本框架

说明：（三路握手）

        1.客户端发送一个SYN段（同步序号）指明客户打算连接的服务器端口，以及初始化序号(ISN) 。

        2.服务器发回包含服务器的初始序号的SYN报文段作为应答。同时，将确认序号(ACK)设置为客户的ISN加1以对客户的SYN 报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号。

        3.客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认。

2) 基本TCP客户—服务器程序设计基本框架流程图

3) UDP和TCP的对比：

从上面的流程图比较我们可以很明显的看出UDP没有三次握手过程。

简单点说。UDP处理的细节比TCP少。UDP不能保证消息被传送到（它也报告消息没有传送到）目的地。UDP也不保证数据包的传送顺序。UDP把数据发出去后只能希望它能够抵达目的地。

TCP优缺点：

优点：

        1．TCP提供以认可的方式显式地创建和终止连接。

        2．TCP保证可靠的、顺序的（数据包以发送的顺序接收）以及不会重复的数据传输。

        3．TCP处理流控制。

        4．允许数据优先

        5．如果数据没有传送到，则TCP套接口返回一个出错状态条件。

        6．TCP通过保持连续并将数据块分成更小的分片来处理大数据块。—无需程序员知道

缺点： TCP在转移数据时必须创建（并保持）一个连接。这个连接给通信进程增加了开销，让它比UDP速度要慢。

UDP优缺点：

        1．UDP不要求保持一个连接

        2．UDP没有因接收方认可收到数据包（或者当数据包没有正确抵达而自动重传）而带来的开销。

        3．设计UDP的目的是用于短应用和控制消息

        4．在一个数据包连接一个数据包的基础上，UDP要求的网络带宽比TCP更小。

三、函数介绍

3.1 socket()函数

int socket(int domain, int type, int protocol);

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：

• 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。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。

3.2、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。

通常服务器在启动的时候都会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，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

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。

所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

3.3、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。

3.4、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()之后就想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);

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。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。

注意：accept的第一个参数为服务器的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；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受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。

3.5、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 

       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)。

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。

3.6、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  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。

四、源码

//服务端server.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVPORT 6000 /*服务器监听端口号 */
#define BACKLOG 10 /* 最大同时连接请求数 */
#define MAXDATASIZE 100  /*每次最大数据传输量*/

main()
{
 char buf[MAXDATASIZE];
 int sockfd,client_fd; /*sock_fd：监听socket；client_fd：数据传输socket */
 struct sockaddr_in my_addr; /* 本机地址信息 */
 struct sockaddr_in remote_addr; /* 客户端地址信息 */

 if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
 {
  perror("socket创建出错！");
  exit(1);
 }
 my_addr.sin_family=AF_INET;
 my_addr.sin_port=htons(SERVPORT);  /* 将一个无符号短整型数值转换为网络字节序，即大端模式(big-endian) */
 my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  /*INADDR_ANY就是指定地址为0.0.0.0的地址，这个地址事实上表示不确定地址，或“所有地址”、“任意地址”*/
 bzero(&(my_addr.sin_zero),8);  /* 置字节字符串前8个字节为零且包括'\0', 推荐使用memset替代bzero */
 if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
 {
  perror("bind出错！");
  exit(1);
 }
 if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1)
 {
  perror("listen出错！");
  exit(1);
 }
 while(1)
 {
  sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
  if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&remote_addr, &sin_size)) == -1)
  {
   perror("accept出错");
   continue;
  }
  printf("received a connection from %s\n", inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));
  if (!fork())
  { /* 子进程代码段 */
   if ((recvbytes=recv(client_fd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1)
   {
    perror("recv出错！");
    close(client_fd);
    exit(0);
   }
   buf[recvbytes] = '\0';
   printf("from client Received: %s",buf);

   if (send(client_fd, "thanks!\n", 8, 0) == -1)
    perror("send出错！");
   close(client_fd);
   exit(0);
  }
  close(client_fd);
 }
}

//客户端client.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVPORT 6000
#define MAXDATASIZE 100

main(int argc, char *argv[])
{
 int sockfd, recvbytes;
 char buf[MAXDATASIZE];
 struct hostent *host;
 struct sockaddr_in serv_addr;
 if (argc < 2)
 {
  fprintf(stderr,"Please enter the server's hostname!\n");
  exit(1);
 }
 if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL)
 {
  herror("gethostbyname出错！");
  exit(1);
 }
 if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
 {
  perror("socket创建出错！");
  exit(1);
 }
 serv_addr.sin_family=AF_INET;
 serv_addr.sin_port=htons(SERVPORT);
 serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
 bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);
 if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
 {
  perror("connect出错！");
  exit(1);
 }

if (send(sockfd, "hello!\n", 7, 0) == -1)
 {
  perror("send出错！");
  exit(1);
 }

 if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1)
 {
  perror("recv出错！");
  exit(1);
 }
 buf[recvbytes] = '\0';
 printf("Received: %s",buf);
 close(sockfd);
}

UDP

//
#include
#include
#include
#include
#include
#include

int main(void)
{
    int sfd; char buf[1024]; int n, i;
    struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
    socklen_t len;

    sfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(8000);
    inet_pton(AF_INET, "192.168.0.36", &serv_addr.sin_addr.s_addr);

    while(1) {
        if(fgets(buf, 1024, stdin) == NULL)
            break;
        sendto(sfd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
        n = recvfrom(sfd, buf, 1024, 0, NULL, NULL);
        write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    }
    close(sfd);

    return 0;
}

//
#include
#include
#include
#include
#include

int main(void)
{
    int sfd; char buf[1024]; int n, i;
    struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
    socklen_t len;

    sfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(8000);
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    bind(sfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

    while(1) {
        len = sizeof(cli_addr);
        n = recvfrom(sfd, buf, 1024, 0, (struct sockaddr *)&cli_addr, &len);
        for(i = 0; i < n; i++)
            buf[i] = toupper(buf[i]);
        sendto(sfd, buf, n, 0, (struct sockaddr *)&cli_addr, len);
    }
        close(sfd);

        return 0;
}

http://blog.csdn.net/aoxiangzhiguanjun/article/details/8862863

http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html

http://soaringeagle.blog.sohu.com/5267097.html

http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7444092

http://goodcandle.cnblogs.com/archive/2005/12/10/294652.aspx

http://blog.163.com/zhangmaochu@126/blog/static/373606222009118103318856/

http://www.cnblogs.com/lebronjames/archive/2010/11/29/1891016.html