深入講解Socket原理

第深入講解Socket原理通常服務(wù)器在啟動(dòng)的時(shí)候都會(huì)綁定一個(gè)眾所周知的地址（如ip地址+端口號），用于提供服務(wù)，客戶就可以通過它來接連服務(wù)器；而客戶端就不用指定，有系統(tǒng)自動(dòng)分配一個(gè)端口號和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務(wù)器端在listen之前會(huì)調(diào)用bind()，而客戶端就不會(huì)調(diào)用，而是在connect()時(shí)由系統(tǒng)隨機(jī)生成一個(gè)。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序與主機(jī)字節(jié)序

主機(jī)字節(jié)序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節(jié)序類型，這些字節(jié)序是指整數(shù)在內(nèi)存中保存的順序，這個(gè)叫做主機(jī)序。引用標(biāo)準(zhǔn)的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：

a)Little-Endian就是低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

b)Big-Endian就是高位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序：4個(gè)字節(jié)的32bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節(jié)序。由于TCP/IP首部中所有的二進(jìn)制整數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)都要求以這種次序，因此它又稱作網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序。字節(jié)序，顧名思義字節(jié)的順序，就是大于一個(gè)字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放順序，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)沒有順序的問題了。

所以：在將一個(gè)地址綁定到socket的時(shí)候，請先將主機(jī)字節(jié)序轉(zhuǎn)換成為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序，而不要假定主機(jī)字節(jié)序跟網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序一樣使用的是Big-Endian。由于這個(gè)問題曾引發(fā)過血案！公司項(xiàng)目代碼中由于存在這個(gè)問題，導(dǎo)致了很多莫名其妙的問題，所以請謹(jǐn)記對主機(jī)字節(jié)序不要做任何假定，務(wù)必將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序再賦給socket。

3.3、listen()、connect()函數(shù)

如果作為一個(gè)服務(wù)器，在調(diào)用socket()、bind()之后就會(huì)調(diào)用listen()來監(jiān)聽這個(gè)socket，如果客戶端這時(shí)調(diào)用connect()發(fā)出連接請求，服務(wù)器端就會(huì)接收到這個(gè)請求。

intlisten(intsockfd,intbacklog);

intconnect(intsockfd,conststructsockaddr*addr,socklen_taddrlen);

listen函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)即為要監(jiān)聽的socket描述字，第二個(gè)參數(shù)為相應(yīng)socket可以排隊(duì)的最大連接個(gè)數(shù)。socket()函數(shù)創(chuàng)建的socket默認(rèn)是一個(gè)主動(dòng)類型的，listen函數(shù)將socket變?yōu)楸粍?dòng)類型的，等待客戶的連接請求。

connect函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)即為客戶端的socket描述字，第二參數(shù)為服務(wù)器的socket地址，第三個(gè)參數(shù)為socket地址的長度。客戶端通過調(diào)用connect函數(shù)來建立與TCP服務(wù)器的連接。

3.4、accept()函數(shù)

TCP服務(wù)器端依次調(diào)用socket()、bind()、listen()之后，就會(huì)監(jiān)聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調(diào)用socket()、connect()之后就想TCP服務(wù)器發(fā)送了一個(gè)連接請求。TCP服務(wù)器監(jiān)聽到這個(gè)請求之后，就會(huì)調(diào)用accept()函數(shù)取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網(wǎng)絡(luò)I/O操作了，即類同于普通文件的讀寫I/O操作。

intaccept(intsockfd,structsockaddr*addr,socklen_t*addrlen);

accept函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，第二個(gè)參數(shù)為指向struct

sockaddr*的指針，用于返回客戶端的協(xié)議地址，第三個(gè)參數(shù)為協(xié)議地址的長度。如果accpet成功，那么其返回值是由內(nèi)核自動(dòng)生成的一個(gè)全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連接。

注意：accept的第一個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，是服務(wù)器開始調(diào)用socket()函數(shù)生成的，稱為監(jiān)聽socket描述字；而accept函數(shù)返回的是已連接的socket描述字。一個(gè)服務(wù)器通常通常僅僅只創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)聽socket描述字，它在該服務(wù)器的生命周期內(nèi)一直存在。內(nèi)核為每個(gè)由服務(wù)器進(jìn)程接受的客戶連接創(chuàng)建了一個(gè)已連接socket描述字，當(dāng)服務(wù)器完成了對某個(gè)客戶的服務(wù)，相應(yīng)的已連接socket描述字就被關(guān)閉。

3.5、read()、write()等函數(shù)

萬事具備只欠東風(fēng)，至此服務(wù)器與客戶已經(jīng)建立好連接了?？梢哉{(diào)用網(wǎng)絡(luò)I/O進(jìn)行讀寫操作了，即實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)咯中不同進(jìn)程之間的通信！網(wǎng)絡(luò)I/O操作有下面幾組：

read()/write()

recv()/send()

readv()/writev()

recvmsg()/sendmsg()

recvfrom()/sendto()

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)是最通用的I/O函數(shù)，實(shí)際上可以把上面的其它函數(shù)都替換成這兩個(gè)函數(shù)。它們的聲明如下：

#include

ssize_tread(intfd,void*buf,size_tcount);

ssize_twrite(intfd,constvoid*buf,size_tcount);

#include

#include

ssize_tsend(intsockfd,constvoid*buf,size_tlen,intflags);

ssize_trecv(intsockfd,void*buf,size_tlen,intflags);

ssize_tsendto(intsockfd,constvoid*buf,size_tlen,intflags,

conststructsockaddr*dest_addr,socklen_taddrlen);

ssize_trecvfrom(intsockfd,void*buf,size_tlen,intflags,

structsockaddr*src_addr,socklen_t*addrlen);

ssize_tsendmsg(intsockfd,conststructmsghdr*msg,intflags);

ssize_trecvmsg(intsockfd,structmsghdr*msg,intflags);

read函數(shù)是負(fù)責(zé)從fd中讀取內(nèi)容.當(dāng)讀成功時(shí)，read返回實(shí)際所讀的字節(jié)數(shù)，如果返回的值是0表示已經(jīng)讀到文件的結(jié)束了，小于0表示出現(xiàn)了錯(cuò)誤。如果錯(cuò)誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網(wǎng)絡(luò)連接出了問題。

write函數(shù)將buf中的nbytes字節(jié)內(nèi)容寫入文件描述符fd.成功時(shí)返回寫的字節(jié)數(shù)。失敗時(shí)返回-1，并設(shè)置errno變量。在網(wǎng)絡(luò)程序中，當(dāng)我們向套接字文件描述符寫時(shí)有倆種可能。1)write的返回值大于0，表示寫了部分或者是全部的數(shù)據(jù)。2)返回的值小于0，此時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。我們要根據(jù)錯(cuò)誤類型來處理。如果錯(cuò)誤為EINTR表示在寫的時(shí)候出現(xiàn)了中斷錯(cuò)誤。如果為EPIPE表示網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)了問題(對方已經(jīng)關(guān)閉了連接)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數(shù)了，具體參見man文檔或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

3.6、close()函數(shù)

在服務(wù)器與客戶端建立連接之后，會(huì)進(jìn)行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關(guān)閉相應(yīng)的socket描述字，好比操作完打開的文件要調(diào)用fclose關(guān)閉打開的文件。

#include

intclose(intfd);

close一個(gè)TCPsocket的缺省行為時(shí)把該socket標(biāo)記為以關(guān)閉，然后立即返回到調(diào)用進(jìn)程。該描述字不能再由調(diào)用進(jìn)程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個(gè)參數(shù)。

注意：close操作只是使相應(yīng)socket描述字的引用計(jì)數(shù)-1，只有當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，才會(huì)觸發(fā)TCP客戶端向服務(wù)器發(fā)送終止連接請求。

4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解

我們知道tcp建立連接要進(jìn)行“三次握手”，即交換三個(gè)分組。大致流程如下：

客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)SYNJ

服務(wù)器向客戶端響應(yīng)一個(gè)SYNK，并對SYNJ進(jìn)行確認(rèn)ACKJ+1

客戶端再想服務(wù)器發(fā)一個(gè)確認(rèn)ACKK+1

只有就完了三次握手，但是這個(gè)三次握手發(fā)生在socket的那幾個(gè)函數(shù)中呢？請看下圖：

圖1、socket中發(fā)送的TCP三次握手

從圖中可以看出，當(dāng)客戶端調(diào)用connect時(shí)，觸發(fā)了連接請求，向服務(wù)器發(fā)送了SYNJ包，這時(shí)connect進(jìn)入阻塞狀態(tài)；服務(wù)器監(jiān)聽到連接請求，即收到SYNJ包，調(diào)用accept函數(shù)接收請求向客戶端發(fā)送SYNK，ACKJ+1，這時(shí)accept進(jìn)入阻塞狀態(tài)；客戶端收到服務(wù)器的SYNK，ACKJ+1之后，這時(shí)connect返回，并對SYNK進(jìn)行確認(rèn)；服務(wù)器收到ACKK+1時(shí)，accept返回，至此三次握手完畢，連接建立。

總結(jié)：客戶端的connect在三次握手的第二個(gè)次返回，而服務(wù)器端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解

上面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程，及其涉及的socket函數(shù)?，F(xiàn)在我們介紹socket中的四次握手釋放連接的過程，請看下圖：

圖2、socket中發(fā)送的TCP四次握手

圖示過程如下：

某個(gè)應(yīng)用進(jìn)程首先調(diào)用close主動(dòng)關(guān)閉連接，這時(shí)TCP發(fā)送一個(gè)FINM；

另一端接收到FINM之后，執(zhí)行被動(dòng)關(guān)閉，對這個(gè)FIN進(jìn)行確認(rèn)。它的接收也作為文件結(jié)束符傳遞給應(yīng)用進(jìn)程，因?yàn)镕IN的接收意味著應(yīng)用進(jìn)程在相應(yīng)的連接上再也接收不到額外數(shù)據(jù)；

一段時(shí)間之后，接收到文件結(jié)束符的應(yīng)用進(jìn)程調(diào)用close關(guān)閉它的socket。這導(dǎo)致它的TCP也發(fā)送一個(gè)FINN；

接收到這個(gè)FIN的源發(fā)送端TCP對它進(jìn)行確認(rèn)。

這樣每個(gè)方向上都有一個(gè)FIN和ACK。

6.下面給出實(shí)現(xiàn)的一個(gè)實(shí)例

首先，先給出實(shí)現(xiàn)的截圖

服務(wù)器端代碼如下：

#include"InitSock.h"

#include

#include

usingnamespacestd;

CInitSockinitSock;//初始化Winsock庫

intmain()

//創(chuàng)建套節(jié)字

SOCKETsListen=::socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);

//用來指定套接字使用的地址格式，通常使用AF_INET

//指定套接字的類型，若是SOCK_DGRAM，則用的是udp不可靠傳輸

//配合type參數(shù)使用，指定使用的協(xié)議類型（當(dāng)指定套接字類型后，可以設(shè)置為0，因?yàn)槟J(rèn)為UDP或TCP）

if(sListen==INVALID_SOCKET)

printf("Failedsocket()\n");

return0;

//填充sockaddr_in結(jié)構(gòu),是個(gè)結(jié)構(gòu)體

sockaddr_insin;

sin.sin_family=AF_INET;

sin.sin_port=htons(4567);//1024~49151：普通用戶注冊的端口號

sin.sin_addr.S_un.S_addr=INADDR_ANY;

//綁定這個(gè)套節(jié)字到一個(gè)本地地址

if(::bind(sListen,(LPSOCKADDR)sin,sizeof(sin))==SOCKET_ERROR)

printf("Failedbind()\n");

return0;

//進(jìn)入監(jiān)聽模式

//2指的是，監(jiān)聽隊(duì)列中允許保持的尚未處理的最大連接數(shù)

if(::listen(sListen,2)==SOCKET_ERROR)

printf("Failedlisten()\n");

return0;

//循環(huán)接受客戶的連接請求

sockaddr_inremoteAddr;

intnAddrLen=sizeof(remoteAddr);

SOCKETsClient=0;

charszText[]="TCPServerDemo!\r\n";

while(sClient==0)

//接受一個(gè)新連接

//（(SOCKADDR*)remoteAddr）一個(gè)指向sockaddr_in結(jié)構(gòu)的指針，用于獲取對方地址

sClient=::accept(sListen,(SOCKADDR*)remoteAddr,nAddrLen);

if(sClient==INVALID_SOCKET)

printf("Failedaccept()");

printf("接受到一個(gè)連接：%s\r\n",inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr));

continue;

while(TRUE)

//向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)

gets(szText);

::send(sClient,szText,strlen(szText),0);

//從客戶端接收數(shù)據(jù)

charbuff[256];

intnRecv=::recv(sClient,buff,256,0);

if(nRecv0)

buff[nRecv]='\0';

printf("接收到數(shù)據(jù)：%s\n",buff);

//關(guān)閉同客戶端的連接

::closesocket(sClient);

//關(guān)閉監(jiān)聽套節(jié)字

::closesocket(sListen);

return0;

}

客戶端代碼：

#include"InitSock.h"

#include

#include

usingnamespacestd;

CInitSockinitSock;//初始化Winsock庫

intmain()

//創(chuàng)建套節(jié)字

SOCKETs=::socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);

if(s==INVALID_SOCKET)

printf("Failedsocket()\n");

return0;

//也可以在這里調(diào)用bind函數(shù)綁定一個(gè)本地地址

//否則系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)安排

//填寫遠(yuǎn)程地址信息

sockaddr_inservAddr;

servAddr.sin_family=AF_INET;

servAddr.sin_port=htons(4567);

//注意，這里要填寫服務(wù)器程序（TCPServer程序）所在機(jī)器的IP地址

//如果你的計(jì)算機(jī)沒有聯(lián)網(wǎng)，直接使用127.0.0.1即可

servAddr.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("127.0.0.1");

if(::connect(s,(sockaddr*)servAddr,sizeof(servAddr))==-1