socket初学

1、什么是Socket？

网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。都可以理解“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。

2、socket()函数

int socket(int domain, int type, int protocol);
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，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合。

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。

SOCK_STREAM 提供有序的、可靠的、双向的和基于连接的字节流，使用带外数据传送机制，为Internet地址族使用TCP。

SOCK_DGRAM 支持无连接的、不可靠的和使用固定大小（通常很小）缓冲区的数据报服务，为Internet地址族使用UDP。

SOCK_STREAM类型的套接口为全双向的字节流。对于流类套接口，在接收或发送数据前必需处于已连接状态。用connect()调用建立与另一套接口的连接，连接成功后，即可用send()和recv()传送数据。当会话结束后，调用closesocket()。带外数据根据规定用send()和recv()来接收。

原始套接字（SOCK_RAW）：原始套接字与标准套接字（标准套接字指的是前面介绍的流套接字和数据包套接字）的区别在于：原始套接字可以读写内核没有处理的IP数据包，而流套接字只能读取TCP协议的数据，数据包套接字只能读取UDP协议的数据。因此，如果要访问其他协议发送数据必须使用原始套接字。

protocol：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

3、bind()函数

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。

在《UNIX网络编程》这本书中提到：“如果一个TCP客户或者服务器未曾调用bind捆绑一个端口，当调用connect或listen时，内核就要为相应的套接字选择一个临时接口。”从这句话中可以判断出，其实在调用socket函数创建socket时，内核还并未给socket分配源地址和源端口。而对于UDP，我猜测在调用sendto发送数据时，在未捆绑端口的情况下，内核也会随机分配端口。
　　而我遇到的特殊应用要求我在用UDP发送数据之前要告诉对方我的发送端口，这也就意味着我在sendto之前必须要捆绑端口，因此我在发送数据之前就得调用bind函数绑定一下端口了。但是我就在想内核既然有随机分配端口的能力，而我需要的也只是让它绑定一下而不用绑定在固定端口的业务，socket中应该能够提供这种业务。然后果然我发现bind就具备这种能力，当bind的参数中端口地址为0的时候，这时候就是由内核分配端口。这样我就不用考虑端口地址重复的问题，而放心的把这个问题交给内核处理了。
　　就在发现bind的这个机制的同时，我发现其实bind对于源地址也同样具备这种处理方式，当系统具有多IP（多网卡）的情况，当我们把bind函数中的ip参数置0时，就是由内核自己选择分配IP。而之前一直觉得很神奇的INADDR_ANY其实一点也不神奇，它的值其实就是0。所以当我们只有单一IP的时候，我们就可以用INADDR_ANY去代替那个单一的IP，因为内核分配的时候只能选择这一个IP。从而造成了INADDR_ANY就是本机IP的现象。

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。

4、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。

5、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。

6、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()
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)。

7、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 <unistd.h>
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。

8、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中发送的TCP三次握手

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。

9、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中发送的TCP四次握手

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：

服务器端

#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)
",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)
",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    if( listen(listenfd, 10) == -1){
    printf("listen socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }

    printf("======waiting for client's request======
");
    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] = '';
    printf("recv msg from client: %s
", buff);
    close(connfd);
    }

    close(listenfd);
}

客户端代码：

#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 sockfd, n; char recvline[4096], sendline[4096]; struct sockaddr_in servaddr; if( argc != 2){ printf("usage: ./client <ipaddress> "); exit(0); } if( (sockfd =socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){ printf("create socket error: %s(errno: %d) ", strerror(errno),errno); exit(0); } memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_port = htons(6666); if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){ printf("inet_pton error for %s ",argv[1]); exit(0); } if( connect(sockfd, (structsockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){ printf("connect error: %s(errno: %d) ",strerror(errno),errno); exit(0); } printf("send msg to server: "); fgets(sendline, 4096, stdin); if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0) { printf("send msg error: %s(errno: %d) ", strerror(errno), errno); exit(0); } close(sockfd); exit(0); }

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。

windows下：

服务端：

// sockettest.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//
#include "stdafx.h"
#include<iostream>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<cerrno>
#include<sys/types.h>
#include<winsock2.h>
//#include<netdb.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
using namespace std;
#define MAXSIZE 4096
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
WORD requestVersion=MAKEWORD(2,2);
WSADATA wsadata;
int err=WSAStartup(requestVersion,&wsadata);
if (err!=0)
{
printf("WSAStartup failed witherror: %d ", err);
return 1;
}
int listenfd,connfd;
sockaddr_in servaddr;
char buff[4096];
memset(buff,0,sizeof(char)*4096);
int n;
if ((listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
{
char tmp[4096]={0};
strerror_s(tmp,errno);
cout<<"create socket error:";
printf("%s",tmp);
cout<<" : "<<errno<<endl;
exit(0);
}
memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
servaddr.sin_port=htons(6666);
servaddr.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_family=AF_INET;
if (bind(listenfd,(sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)))
{
char tmp[4096]={0};
strerror_s(tmp,errno);
cout<<"bind socket error:";
printf("%s",tmp);
cout<<" : "<<errno<<endl;
exit(0);
}
if (listen(listenfd,10)==-1)
{
char tmp[4096]={0};
strerror_s(tmp,errno);
cout<<"listen socket error:";
printf("%s",tmp);
cout<<" : "<<errno<<endl;
exit(0);
}
cout<<"==========waiting for client's request====================="<<endl;
while(1)
{
if ((connfd=accept(listenfd,(sockaddr*)NULL,NULL))==-1)
{
char tmp[4096]={0};
strerror_s(tmp,errno);
cout<<"accept socket error:";
printf("%s",tmp);
cout<<" : "<<errno<<endl;
continue;
}
memset(buff,0,sizeof(buff));
n=recv(connfd,buff,MAXSIZE,0);
buff[n]='';
cout<<"say:";
printf("%s",buff);
cout<<endl;
closesocket(connfd);
}
closesocket(listenfd);
return 0;
}


客户端：

// ClientSocket.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//
#include "stdafx.h"
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<cerrno>
#include<sys/types.h>
#include<winsock2.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32")
using namespace std;
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
SOCKET sockfd,n;
char recvline[4096],sendline[4096];
sockaddr_in servaddr;
/*if (argc!=2)
{
cout<<"usage: ./client <ipaddress> ";
exit(0);
}*/
WORD wRequestVersion=MAKEWORD(2,2);
WSADATA wsadata;
if (WSAStartup(wRequestVersion,&wsadata)!=0)
{
cout<<"socket initial failed"<<endl;
exit(0);
}
memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family=AF_INET;
servaddr.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("10.129.119.207");
servaddr.sin_port=htons(6666);
cout<<"=============send msg to server========="<<endl;
while(1)
{
if ((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
{
cout<<"create socket failed"<<endl;
exit(0);
}
if (connect(sockfd,(sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr))<0)
{
cout<<"connect failed"<<endl;
cout<<WSAGetLastError();
exit(0);
}
memset(sendline,0,sizeof(sendline));
fgets(sendline,4096,stdin);
sendline[strlen(sendline)-1]=0;
if (strcmp(sendline,"exit")==0)
break;
if (send(sockfd,sendline,strlen(sendline),0)<0)
{
cout<<"send msg failed"<<endl;
cout<<WSAGetLastError();
exit(0);
}
}
closesocket(sockfd);
return 0;
}

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：

向地址192.168.100.168的服务器端顺序发送信息“Client Query test”，“Cleint Query”，“Client Query Quit”，然后退出。

题目中出现的ip地址可以根据实际情况定。