实验三socket编程实验指导.docx
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实验三socket编程实验指导
实验三socket套接字编程实验指导
一、Sockets编程基础知识
网络编程就是通过计算机网络与其他程序进行通信的程序，Socket编程是网络编程的主流工具。
SocketAPI是实现进程间通信的一种编程设施，也是一种为进程间提供底层抽象的机制。
尽管应用开发人员很少需要在该层编写代码，但是理解socketAPI还是非常重要的。
主要有两点原因：
第一，高层设施是构建于socketAPI之上的，它们是利用socketAPI提供的操作来实现。
第二，对于响应时间要求较高或运行于有限资源平台上的应用，甚至socketAPI是唯一可用的进程间通信设施。
socketAPI出现于20世纪80年代早期，作为BerkeleyUnix（BSD4.2）操作系统程序库来通过进程间通信功能。
现在主流操作系统都提供socketAPI。
在基于Unix系统中，如BSD、Linux系统，socketAPI是操作系统内核的一部分；在MS-DOS、WindowsOS、OS/2等操作系统中，socketAPI是以程序库形式提供的，如在Windows系统中，socketAPI被称为Winsock。
Socket接口规范可以适用多种通讯协议，主要是TCP/IP。
TCP/IP是计算机互联最常适用的网络通讯协议，TCP/IP的核心部分由网络操作系统的内核实现，应用程序通过编程接口来访问TCP/IP，应用程序通讯的方式有图3-1所示。
图3-1：
应用程序通信方式
TCP/IP使用一个网络地址和一个服务端口号来惟一地标识设备。
网络地址标识网络上的特定设备；端口号标识要连接到的该设备上的特定服务。
网络通讯的基本模式如下：
每一台通讯的主机都有一个本网络环境中惟一的IP地址，一台主机上往往有多个通讯程序存在，每个这样的程序都要占用一个通讯端口。
因此，一个IP地址，一个通讯端口，就能确定一个通讯程序的位置。
二、Socket通讯连接方式
Socket主要有三种通讯方式：
流式Socket、数据报Socket和原始Socket。
1.流式Socket（SOCK_STREAM）
流式套接字提供了基于Unix操作系统的流式I/O的数据传输模式，它仅仅支持通过可靠的、面向连接的通信，类似于电话系统服务，即每一次完整的数据传输都要经过建立连接、使用连接、终止连接的过程、在数据传输过程中，各数据分组不携带目的地址，而使用连接号（connectID）。
从本质上看，连接是一个管道，收发数据不但顺序一致，而且内容相同。
Socket编程中，双方进程可以单独创建流式Socket，再在socket之间形成连接。
一旦数据作为字符流被写入发送者进程，然后接收者通过socket来读取该数据。
面向连接通信能确保数据沿预先建立的连接安全有序地传输。
服务器使用两个Socket：
一个接收连接；一个发送/接收数据。
见图5-2。
图3-2：
流式Socket通信
2.数据报Socket（SOCK_DGRAM）
数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠、无差错。
类似于邮政系统服务。
每个分组都携带完整的目的地址，各分组独立传送。
无连接服务不能保证分组的先后顺序，不进行分组出错的恢复与重传，不保证传输的可靠性。
UDP协议提供无连接的数据报服务。
它使用数据报协议UDP。
图3-3：
无连接数据包socket
3.原始Socket
原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP直接访问，它功能强大但使用不便主要用于一些协议的开发。
三、基于C的面向连接的Socket编程模型
TCP协议是面向连接协议，它提供了一系列的数据纠错功能，可以保证在网络上传输的数据及时、无误的传给接收方。
因此面向连接协议的Socket编程模型应用最为广泛，基于连接协议的服务是设计客户端/服务器应用程序时的标准。
编程模型如图3-4所示。
模型中，服务器端的处理：
（1）使用socket系统调用，生成一个TCP协议模块与应用程序之间进行通信的套接字；使用bind系统调用指定端口号；
（2）使用bind系统调用指定端口号；
（3）使用listen系统调用，指定连接接收队列的长度，并等待来自客户端的连接请求。
前三步完成了启动服务器程序的工作。
一旦listen监听到有客户端的连接，就调用accept接收连接。
希望与服务器通信的进程称为客户，客户所运行的计算机环境称为客户端，有时两个概念混用。
客户端的处理：
（1）使用socket系统调用，打开TCP协议模块与应用程序之间的通信线路；
（2）使用connect系统调用，指定IP地址和端口号，和服务器相应的服务应用程序建立TCP协议的连接请求；
客户端和服务器程序在建立连接后，使用send和recv调用完成数据的发送和接收工作。
等待数据传送结束后，各自调用close关闭套接字。
使用TCP协议的Socket通信程序包括服务程序和客户程序。
图3-4：
基于C的面向连接的socket编程模型
基于C的Socket编程相关函数和数据类型
1.sockadd和sockaddr_in结构：
sockaddr结构
structsockaddr
{
unsignedshortsa_family;/*地址族，AF_xxx有IPV4与IPV6等*/
charsa_data[14];/*14字节的协议地址*/
};
sa_family一般为AF_INET，表示Internet协议族，如是AF_UNIX表示UNIX协议簇；sa_data中包含该socket的IP地址和端口号。
in_add结构，用来存储四字节的IP地址
structin_addr{
unsignedlongs_addr;
};
sockaddr_in结构
structsockaddr_in
{
shortintsin_family;/*地址族*/
unsignedshortintsin_port;/*端口号*/
structin_addsin_addr;/*IP地址*/
unsignedcharsin_zero[8];/*填充0以保持与structsockaddr同样大小*/
}；
该结构中sin_zero使得sockaddr和sockaddr_in指针类型相互转换；sin_port和sin_addr必须是网络字节顺序，因为它们被封装在包的IP和UDP层，而sin_family不发送到网络上可以是本机字节顺序。
相关函数
1．socket（）函数
该函数用于根据指定的地址族、数据类型和协议来分配一个套接字的描述字及其所用的资源。
Socket函数原型为：
intsocket（intdomain,inttype,intprotocol）;
、参数domain指定地址描述，一般为AP_INET；
b、参数type指定socket类型：
SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM；
c、参数protocol通常为0；
d、函数返回值为一个整型socket描述符，在bind函数中调用。
2．bind（）函数
该函数用于将一个本地地址与一个套接字绑定在一起。
intbind（intsockfd,structsockadd*my_addr,intaddrlen）;
、sockfd：
socket描述符，使用socket函数返回值，将该socket与本机上的一个端口相关联。
在设计服务器端程序是需要调用bind函数，以在该端口上监听服务请求；而客户端一般不需要调用bind函数，因为只需知道服务器IP地址，并不关心客户通过哪个端口与服务器建立连接，内核会自动选择一个未被占用的端口供客户端来使用。
、my_addr：
指向包含本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针。
、addrlen：
sizeof（structsockaddr）的值。
、bind函数返回值：
为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码。
3．connect（）函数
与远程服务器建立一个TCP连接。
intconnect（intsockfd,structsockaddr*serv_addr,intaddrlen）;
、sockfd：
目的服务器的socket描述符。
、serv_addr：
指向包含目的服务器的IP地址及端口号的指针。
、addrlen：
sizeof（structsockaddr）的值。
、connect函数返回值：
为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，进行服务器端程序设计时不需调用connect函数。
4．listen（）函数
在服务器端程序中，当socket与某一端口绑定后，需要监听该端口，及时处理到达该端口上的服务请求。
intlisten（intsockfd,intbacklog）;
、sockfd：
Socket系统调用返回的socket描述符。
、backlog：
指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待接收backlog限制了队列中等待服务的请求数目，系统缺省值为20。
、listen函数返回值：
为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码。
5．accept（）函数
当某个客户端试图与服务器监听的端口连接时，该连接请求将排队等待服务器用accept接收它并为其建立一个连接。
intaccept（intsockfd,structsockaddr*addr,int*addrlen）;
、sockfd：
被监听的socket描述符。
、addr：
sockaddr类型的指针变量，用来存放提出连接请求服务的主机信息。
、accept函数返回值：
为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，如果没有错误，accept（）函数返回一个新想socket描述符，供这个新连接来实用，而服务器可以继续在以前的socket上监听，同时可以在新的socket描述符上进行数据发送和数据接收（sent（）和recv（）操作）。
6．sent（）和recv（）函数
用于在面向连接（TCP）的socket上进行数据传输。
send（）函数原型：
intsend（intsockfd,constvoid*msg,intlen,intflags）;
、sockfd：
用于传输数据的socket描述符。
、msg：
是一个指向要发送数据的指针。
、len：
以字节为单位的数据的长度。
、flags：
一般情况下置为0。
、函数返回值：
为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，否则返回所发送数据的总数，该数字可能小于len中所规定的大小。
recv（）函数原型：
intrecv（intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags）;
、sockfd：
是接收数据的socket描述符。
、buf：
是存放接收数据的缓冲区。
、len：
以字节为单位的缓冲区的长度。
、flags：
一般情况下置为0。
、函数返回值：
为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，无错则返回读入的字节数，如果连接被中止，返回0。
7．endto（）和recvfrom（）函数
这两个函数是利用数据报方式（UDP）进行数据传输。
在无连接的数据报socket方式下，由于本地socket并没有与远程机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。
sendto（）原型：
intsendto（intsockfd,constvoid*msg,intlen,unsignedintflags,conststructsockaddr*to,inttolen）;
、sockfd：
用于传输数据的socket描述符。
、msg：
是一个指向要发送数据的指针。
、len：
以字节为单位的数据的长度。
、flags：
一般情况下置为0。
、函数返回值：
为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，否则返回所发送数据的总数，该数字可能小于len中所规定的大小。
f、表示目的机器的IP地址和端口号。
g、tolen：
被赋值为sizeof（structsockaddr）。
recvfrom函数原型：
intrecv（intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags,structsockaddr*from,intfromlen）;
、sockfd：
是接收数据的socket描述符。
、buf：
是存放接收数据的缓冲区。
、len：
以字节为单位的缓冲区的长度。
、flags：
一般情况下置为0。
、函数返回值：
为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，无错则返回读入的字节数，如果连接被中止，返回0。
f、from：
保存源机器的IP地址和端口号。
g、fromlen：
常被赋值为sizeof（structsockaddr）。
当对于数据报socket调用了connect（）函数时，也可以用send（）和recv（）进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并利用传输层的UDP服务。
但是在发送或接收数据报时，内核会自动为它加上目的地址和源地址信息。
8．close（）和shutdown（）函数
当所有的数据操作结束后，可以调用close函数来释放该socket资源，从而停止在该socket上的任何数据操作。
也可以调用shutdown函数，允许只停止在某个方向上的数据传输，而另一个方向上的数据传输继续进行。
例如可以关闭某一个socket上的写操作uo允许继续在该socket上接收数据，直到读入所有数据。
但是，shutdown函数并不关闭套接字所占用的所有资源，除非调用close函数来释放。
看看两个函数原型：
close（intsockfd）;
shutdown（intsockfd,inthow）;
how参数的值和含义：
0：
不允许继续接收数据；
1：
不允许继续发送数据；
2：
不允许继续发送和接收数据。
shutdown在操作成功时返回0，错误时返回-1，并置errno值。
9．字节顺序转换函数
htons（）：
HosttoNetworkShort的缩写，该函数将主机的无符合短整型数字节顺序转换成网络字节顺序。
htonl（）：
HosttoNetworkLong的缩写，该函数将主机的无符合长整型数字节顺序转换成网络字节顺序。
ntohs（）：
NetworktoHostShort的缩写，该函数将无符号短整型数从网络字节顺序转换为主机字节顺序。
ntohl（）：
NetworktoHostlong的缩写，该函数将无符号长整型数从网络字节顺序转换为主机字节顺序。
四、服务器程序代码
#include"stdafx.h"
#include
#include
#include
#include
#pragmacomment（lib,"ws2_32.lib"）
#defineMYPORT3490/*定义用户连接端口*/
#defineBACKLOG10/*多少等待连接控制*/
#defineSERVER_IP_ADDR"127.0.0.1"/*服务器的IP地址*/
int_tmain（intargc,_TCHAR*argv[]）
{
SOCKETsock,msgsock;
intlength=0;
structsockaddr_inserver;
structsockaddrtcpaddr;
charbuf[1024]="";
intrval=0,len=0,err=0;
WORDwVersionRequested;
WSADATAwsaData;
/*指定socket版本，否则创建socket失败，即使创建socket返回值不为-1，但是bind时会失败*/
wVersionRequested=MAKEWORD（2,2）;
err=WSAStartup（wVersionRequested,&wsaData）;
if（err!
=0）
return-1;
/*建立套接字*/
sock=socket（AF_INET,SOCK_STREAM,0）;
if（sock<0）
{
perror（"openingstreamsocket"）;
exit
（1）;
}
/*使用任意端口命名套接字*/
server.sin_family=AF_INET;
server.sin_port=htons（MYPORT）;
server.sin_addr.s_addr=inet_addr（SERVER_IP_ADDR）;
memset（server.sin_zero,0,sizeof（server.sin_zero））;
//将服务器地址与socket绑定在一起
rval=bind（sock,（structsockaddr*）&server,sizeof（server））;
if（rval<0）
{
perror（"bindingstreamsocket"）;
exit
（1）;
}
//找出指定的端口号并打印出来
length=sizeof（server）;
if（getsockname（sock,（structsockaddr*）&server,&length）<0）
{
perror（"gettingsocketname"）;
exit
（1）;
}
printf（"socketport#%d\n",ntohs（server.sin_port））;
//开始接收连接,最大请求数为
listen（sock,5）;
len=sizeof（structsockaddr）;
do
{msgsock=accept（sock,（structsockaddr*）&tcpaddr,（int*）&len）;
if（msgsock==-1）
perror（"accept"）;
else
{memset（buf,0,sizeof（buf））;
if（（rval=recv（msgsock,buf,sizeof（buf）,0）<0））
perror（"readingstreammessage"）;
if（rval==0）
printf（"-->%s\n",buf）;
}
closesocket（msgsock）;
}while（TRUE）;
/*因为这个程序已经有了一个无限循环，所以套接字"sock"从来不显式关闭。
然而，当进程被杀死或正常终止时，所有套接字都将自动地被关闭。
*/
closesocket（msgsock）;
return0;
}
五、客户端程序代码
#include"stdafx.h"
#include
#include
#include
#include
#pragmacomment（lib,"ws2_32.lib"）
#definePORT3490/*客户机连接远程主机的端口*/
#defineMAXDATASIZE100/*每次可以接收的最大字节*/
int_tmain（intargc,_TCHAR*argv[]）
{
WORDwVersionRequested;
WSADATAwsaData;
interr=0,rval=0;
SOCKETfd;
structsockaddr_inservaddr;
structhostent*hp;
charbuf[1024]="";
wVersionRequested=MAKEWORD（2,2）;
err=WSAStartup（wVersionRequested,&wsaData）;
if（err!
=0）
return-1;
if（（fd=socket（AF_INET,SOCK_STREAM,0））<0）
{
printf（"Cannotcreatesocket!
"）;
exit
（2）;
}
servaddr.sin_family=AF_INET;
servaddr.sin_port=htons（PORT）;
servaddr.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr（"127.0.0.1"）;
memset（servaddr.sin_zero,0,sizeof（servaddr.sin_zero））;
//和服务器创建连接
rval=connect（fd,（sockaddr*）&servaddr,sizeof（servaddr））;
if（rval<0）
{//创建连接失败
printf（"Cannotcreateconnect!
"）;
exit（3）;
}
else
{memset（buf,0,1024）;
printf（"Pleaseinputalinetoserver:
"）;
scanf（"%s",&buf）;
//向服务器发送信息
rval=send（fd,buf,strlen（buf）+1,0）;
if（rval<0）
printf（"Writeerror!
"）;
}
closesocket（fd）;
exit（5）;
return0;
}
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