01Socket原理与编程基础.docx
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01Socket原理与编程基础
一、Socket简介
socket的英文原义是“孔”或“插座”。
作为4BDSUNIX的进程通信机制，取后一种意思。
通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。
在Internet上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。
每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。
Socket正如其英文原意那样，象一个多孔插座。
一台主机犹如布满各种插座的房间，每个插座有一个编号，有的插座提供220伏交流电，有的提供110伏交流电，有的则提供有线电视节目。
客户软件将插头插到不同编号的插座，就可以得到不同的服务。
Socket是进程之间通讯的一种方式，即调用这个网络库的一些API函数实现分布在不同主机的相关进程之间的数据交换。
几个定义：
（1）IP地址：
即依照TCP/IP协议分配给本地主机的网络地址。
两个进程之间要通讯，任一进程首先要知道通讯对方的位置，即对方的IP。
（2）端口号：
用来标识本地通讯进程，方便OS提交数据。
在此，IP只是用来标识进程所在的主机,而端口号是用来标识运行在这个主机上的某个进程。
一个本地进程在通讯时均会占用一个端口号，不同进程的端口号不同，因此在通讯前必须给通信进程分配一个没有被占用的端口号。
（3）连接：
指两个进程间的通讯链路。
（4）半相关：
网络中用一个三元组可以在全局唯一标识一个进程：
（协议，本地地址，本地端口号）
这样一个三元组，称为一个半相关,它指定通信连接的每半部分。
（5）全相关：
一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议。
也就是说，不可能通信的一端用TCP协议，而另一端用UDP协议。
因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识：
（协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号）
这样一个五元组，叫做一个全相关（association），即两个协议相同的半相关才能组合成一个合适的相关，或完全指定组成一连接。
二、客户/服务器模式
在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器模式，即：
Client/Server或C/S模式，即客户向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。
客户/服务器模式的建立基于以下两点：
（1）首先，建立网络的起因是网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等，需要共享，从而造就拥有众多资源的主机提供服务，资源较少的客户请求服务这一非对等作用。
（2）其次，网间进程通信完全是异步的，相互通信的进程间既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区，因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系，为二者的数据交换提供同步，这就是基于客户/服务器模式的TCP/IP。
服务器端：
其过程是服务器方首先启动，并根据请求提供相应服务：
（1）打开一通信通道并告知本地主机，它愿意在某一公认地址上的某端口（如FTP的端口可能为21）接收客户请求；
（2）等待客户请求到达该端口；
（3）接收到客户端的服务请求时，处理该请求并发送应答信号。
接收到并发服务请求，要激活一新进程来处理这个客户请求（如UNIX系统中用fork、exec）。
新进程处理此客户请求，并不需要对其它请求作出应答。
服务完成后，关闭此新进程与客户的通信链路，并终止。
（4）返回第
（2）步，等待另一客户请求。
（5）关闭服务器
客户端：
（1）打开一通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口；
（2）向服务器发服务请求报文（数据包），等待并接收应答；继续提出请求......
（3）请求结束后关闭通信通道并终止。
从上面所描述的过程可知：
（1）客户与服务器进程的作用是非对称的，因此代码不同。
（2）服务器进程一般是先启动的。
只要系统运行，该服务进程一直存在，直到正常或强迫终止。
三、SOCKET的连接过程：
根据连接启动的方式以及本地套接字要连接的目标，套接字之间的连接过程可以分为三个步骤：
服务器监听、客户端请求与连接确认。
服务器监听：
是服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态。
客户端请求：
是指由客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。
为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。
连接确认：
是指当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求，它就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，连接就建立好了。
而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。
四、常用的SOCKET类型：
常用的Socket类型有两种：
流式Socket（SOCK_STREAM）
数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。
流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。
Socket为了建立Socket，程序可以调用Socket函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。
socket函数的原型为：
intsocket（intdomain,inttype,intprotocol）;
domain指明所使用的协议族，通常为PF_INET，（其与addrinfo里的AF_INET在现在看来是相同的。
只是历史上人们曾构想将AF（地址家族addressfamily）与PF（protocolfamily协议家族）分开，但实际上这种区分并未真正推广，所以现在AF_INET和PF_INET具有相同的意义。
其中AF_INET是基于IPv4而PF_INET基于IPv6）表示互联网协议族（TCP/IP协议族）；type参数指定socket的类型：
SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM，Socket接口还定义了原始Socket（SOCK_RAW），允许程序使用低层协议；protocol通常赋值0。
Socket（）调用返回一个整型socket描述符，你可以在后面的调用使用它。
Socket描述符是一个指向内部数据结构的指针，它指向描述符表入口。
调用Socket函数时，socket执行体将建立一个Socket，实际上"建立一个Socket"意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。
Socket执行体为你管理描述符表。
两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息：
通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。
Socket数据结构中包含这五种信息。
socket在测量软件中的使用也很广泛。
现在越来越多企业采用这种，当然也有人曾经想将地址与协议分开，但实际的意义上并未实行到，现在还在使用原始的类型，它是指向低层协议的一种。
五、基本的API函数：
创建套接字──socket（）
应用程序在使用套接字前，首先必须拥有一个套接字。
系统调用socket（）向应用程序提供创建套接字的手段，其调用格式如下：
SOCKETPASCALFARsocket（intaf,inttype,intprotocol）;
该调用要接收三个参数：
af、type、protocol。
参数af指定通信发生的区域：
AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中仅支持AF_INET，它是网际网区域。
因此，地址族与协议族相同。
参数type描述要建立的套接字的类型。
这里分三种：
（1）一是TCP流式套接字（SOCK_STREAM）提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地发送，且按发送顺序接收。
内设流量控制，避免数据流超限；数据被看作是字节流，无长度限制。
文件传输协议（FTP）即使用流式套接字。
（2）二是数据报式套接字（SOCK_DGRAM）提供了一个无连接服务。
数据包以独立包形式被发送，不提供无错保证，数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。
网络文件系统（NFS）使用数据报式套接字。
（3）三是原始式套接字（SOCK_RAW），该接口允许对较低层协议（如IP、ICMP等）直接访问。
常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备。
参数protocol说明该套接字使用的特定协议，如果调用者不希望特别指定使用的协议，则置为0，使用默认的连接模式。
根据这三个参数建立一个套接字，并将相应的资源分配给它，同时返回一个整型套接字号。
因此，socket（）系统调用实际上指定了相关五元组中的“协议”这一元。
指定本地地址──bind（）
当一个套接字用socket（）创建后，存在一个名字空间（地址族），但它没有被命名。
bind（）将套接字地址（包括本地主机地址和本地端口地址）与所创建的套接字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。
其调用格式如下：
intPASCALFARbind（SOCKETs,conststructsockaddrFAR*name,intnamelen）;
参数s是由socket（）调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号）。
参数name是赋给套接字s的本地地址（名字），其长度可变，结构随通信域的不同而不同。
namelen表明了name的长度。
如果没有错误发生，bind（）返回0。
否则返回SOCKET_ERROR。
建立套接字连接──connect（）与accept（）
这两个系统调用用于完成一个完整相关的建立。
其中connect（）用于建立连接，accept（）用于使服务器等待来自某客户进程的实际连接。
connect（）的调用格式如下：
intPASCALFARconnect（SOCKETs,conststructsockaddrFAR*name,intnamelen）;
参数s是欲建立连接的本地套接字描述符。
参数name指出说明对方套接字地址结构的指针。
对方套接字地址长度由namelen说明。
如果没有错误发生，connect（）返回0。
否则返回值SOCKET_ERROR。
在面向连接的协议中，该调用导致本地系统和外部系统之间连接实际建立。
由于地址族总被包含在套接字地址结构的前两个字节中，并通过socket（）调用与某个协议族相关。
因此bind（）和connect（）无须协议作为参数。
accept（）的调用格式如下：
SOCKETPASCALFARaccept（SOCKETs,structsockaddrFAR*addr,intFAR*addrlen）;
参数s为本地套接字描述符，在用做accept（）调用的参数前应该先调用过listen（）。
addr指向客户方套接字地址结构的指针，用来接收连接实体的地址。
addr的确切格式由套接字创建时建立的地址族决定。
addrlen为客户方套接字地址的长度（字节数）。
如果没有错误发生，accept（）返回一个SOCKET类型的值，表示接收到的套接字的描述符。
否则返回值INVALID_SOCKET。
accept（）用于面向连接服务器。
参数addr和addrlen存放客户方的地址信息。
调用前，参数addr指向一个初始值为空的地址结构，而addrlen的初始值为0；调用accept（）后，服务器等待从编号为s的套接字上接受客户连接请求，而连接请求是由客户方的connect（）调用发出的。
当有连接请求到达时，accept（）调用将请求连接队列上的第一个客户方套接字地址及长度放入addr和addrlen，并创建一个与s有相同特性的新套接字号。
新的套接字可用于处理服务器并发请求。
四个套接字系统调用函数，socket（）、bind（）、connect（）、accept（），可以完成一个完全五元相关的建立。
socket（）指定五元组中的协议元，它的用法与是否为客户或服务器、是否面向连接无关。
bind（）指定五元组中的本地二元，即本地主机地址和端口号，其用法与是否面向连接有关：
在服务器方，无论是否面向连接，均要调用bind（）；在客户方，若采用面向连接，则可以不调用bind（），而通过connect（）自动完成，若采用无连接，客户方必须使用bind（）以获得一个唯一的地址。
监听连接──listen（）
此调用用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。
listen（）需在accept（）之前调用，其调用格式如下：
intPASCALFARlisten（SOCKETs,intbacklog）;
参数s标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号，服务器愿意从它上面接收请求。
backlog表示请求连接队列的最大长度，用于限制排队请求的个数，目前允许的最大值为5。
如果没有错误发生，listen（）返回0。
否则它返回SOCKET_ERROR。
listen（）在执行调用过程中可为没有调用过bind（）的套接字s完成所必须的连接，并建立长度为backlog的请求连接队列。
调用listen（）是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。
它在调用socket（）分配一个流套接字，且调用bind（）给s赋于一个名字之后调用，而且一定要在accept（）之前调用。
数据传输──send（）与recv（）
当一个连接建立以后，就可以传输数据了。
常用的系统调用有send（）和recv（）。
send（）调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上发送输出数据，格式如下：
intPASCALFARsend（SOCKETs,constcharFAR*buf,intlen,intflags）;
参数s为已连接的本地套接字描述符。
buf指向存有发送数据的缓冲区的指针，其长度由len指定。
flags指定传输控制方式，如是否发送带外数据等。
如果没有错误发生，send（）返回总共发送的字节数。
否则它返回SOCKET_ERROR。
recv（）调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上接收输入数据，格式如下：
intPASCALFARrecv（SOCKETs,charFAR*buf,intlen,intflags）;
参数s为已连接的套接字描述符。
buf指向接收输入数据缓冲区的指针，其长度由len指定。
flags指定传输控制方式，如是否接收带外数据等。
如果没有错误发生，recv（）返回总共接收的字节数。
如果连接被关闭，返回0。
否则它返回SOCKET_ERROR。
输入/输出多路复用──select（）
select（）调用用来检测一个或多个套接字的状态。
对每一个套接字来说，这个调用可以请求读、写或错误状态方面的信息。
请求给定状态的套接字集合由一个fd_set结构指示。
在返回时，此结构被更新，以反映那些满足特定条件的套接字的子集，同时，select（）调用返回满足条件的套接字的数目，其调用格式如下：
intPASCALFARselect（intnfds,fd_setFAR*readfds,fd_setFAR*writefds,fd_setFAR*exceptfds,conststructtimevalFAR*timeout）;
参数nfds指明被检查的套接字描述符的值域，此变量一般被忽略。
参数readfds指向要做读检测的套接字描述符集合的指针，调用者希望从中读取数据。
参数writefds指向要做写检测的套接字描述符集合的指针。
exceptfds指向要检测是否出错的套接字描述符集合的指针。
timeout指向select（）函数等待的最大时间，如果设为NULL则为阻塞操作。
select（）返回包含在fd_set结构中已准备好的套接字描述符的总数目，或者是发生错误则返回SOCKET_ERROR。
关闭套接字──closesocket（）
closesocket（）关闭套接字s，并释放分配给该套接字的资源；如果s涉及一个打开的TCP连接，则该连接被释放。
closesocket（）的调用格式如下：
BOOLPASCALFARclosesocket（SOCKETs）;
参数s待关闭的套接字描述符。
如果没有错误发生，closesocket（）返回0。
否则返回值SOCKET_ERROR。
六、例程代码：
//客户端代码：
#include
#include
#pragmacomment（lib,"ws2_32.lib"）
intmain（）
{
interr;
WORDversionRequired;
WSADATAwsaData;
versionRequired=MAKEWORD（1,1）;
err=WSAStartup（versionRequired,&wsaData）;
//协议库的版本信息
if（!
err）
{
printf（"客户端嵌套字已经打开!
\n"）;
}
else
{
printf（"客户端的嵌套字打开失败!
\n"）;
return0;//结束
}
SOCKETclientSocket=socket（AF_INET,SOCK_STREAM,0）;
SOCKADDR_INclientsock_in;
clientsock_in.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr（"127.0.0.1"）;
clientsock_in.sin_family=AF_INET;
clientsock_in.sin_port=htons（6000）;
/*bind（clientSocket,（SOCKADDR*）&clientsock_in,strlen（SOCKADDR））;*/注意第三个参数
/*listen（clientSocket,5）;
connect（clientSocket,（SOCKADDR*）&clientsock_in,sizeof（SOCKADDR））;*/开始连接
charreceiveBuf[100];
recv（clientSocket,receiveBuf,101,0）;
printf（"%s\n",receiveBuf）;
send（clientSocket,"hello,thisisclient",strlen（"hello,thisisclient"）+1,0）;
closesocket（clientSocket）;
WSACleanup（）;
return0;
}
////////////////////////////////////////////////服务器端代码：
#include
#include
#pragmacomment（lib,"ws2_32.lib"）
intmain（）
{
//创建套接字
WORDmyVersionRequest;
WSADATAwsaData;
interr;
myVersionRequest=MAKEWORD（1,1）;
err=WSAStartup（myVersionRequest,&wsaData）;
if（!
err）
{
printf（"已打开套接字\n"）;
}
else
{
//进一步绑定套接字
printf（"嵌套字未打开!
"）;
return0;
}
SOCKETserSocket=socket（AF_INET,SOCK_STREAM,0）;//创建了可识别套接字
//需要绑定的参数
SOCKADDR_INaddr;
addr.sin_family=AF_INET;
addr.sin_addr.S_un.S_addr=htonl（INADDR_ANY）;//ip地址
addr.sin_port=htons（6000）;//绑定端口
bind（serSocket,（SOCKADDR*）&addr,sizeof（SOCKADDR））;//绑定完成
listen（serSocket,5）;//其中第二个参数代表能够接收的最多的连接数
/* 开始进行监听*/
SOCKADDR_INclientsocket;
intlen=sizeof（SOCKADDR）;
while
（1）
{
SOCKETserConn=accept（serSocket,（SOCKADDR*）&clientsocket,&len）;
//如果这里不是accept而是conection的话。
就会不断的监听
charsendBuf[100];
sprintf（sendBuf,"welcome%stobejing",
inet_ntoa（clientsocket.sin_addr））;
//找对对应的IP并且将这行字打印到那里
send（serConn,sendBuf,strlen（sendBuf）+1,0）;
charreceiveBuf[100];//接收recv（serConn,receiveBuf,strlen（receiveBuf）+1,
0）;
printf（"%s\n",receiveBuf）;
closesocket（serConn）;//关闭
WSACleanup（）;//释放资源的操作
}
return0;
}
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