socket学习1

总结学习socket的知识点

什么是Socket

socket 的原意是“插座”，在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。

简单来说，socket 是对底层网络通信的一层抽象，让程序员可以像文件那样操作网络上发送和接收的数据。

再说的详细一点，假设现在你要编程网络程序，进行服务器端和客户端的通信（数据交换）。不适用 socket 的话，你会做下面的一堆事情：

• 管理缓存区来接收和发送数据
• 告诉操作系统自己要监听某个端口的数据，还有自己处理这些系统调用来读取数据
• 当没有连接的时候或者另外一端要还没有发送数据时候，要处理 IO 阻塞，把自己挂起
• 封装和解析 tcp/ip 协议的数据，维护数据发送的顺序
• 等等

做了一大堆东西，发现最重要的还没有做：发送/接收数据。如果有一个程序能够自动帮我们把上面的东西都做掉，这样我们就可以只关心数据的读写，编程就简单的多了。那么这样一个程序就是 socket，它现在已经是操作系统的一部分，在 linux 中是标准的系统调用，只要调用它提供的一组接口（下面会详解常用函数的使用），就能轻松地建立连接，读写数据，关闭连接，让网络操作就像文件操作一样简单。

首先我们知道在Linux中一切皆是文件个概念，所以网络连接也是文件，其和普通的文件一样也有文件描述符。

我们可以通过 socket() 函数来创建一个网络连接，或者说打开一个网络文件，socket() 的返回值就是文件描述符。有了文件描述符，我们就可以使用普通的文件操作函数来传输数据了，例如：

• 用 read() 读取从远程计算机传来的数据；
• 用 write() 向远程计算机写入数据。

TCP 和 UDP 的端口是互不干扰的，也就是说系统可以同时开启 TCP 80 端口和 UDP 80 端口。

socket 不属于任何一层网络协议，它是对 TCP 层的封装，方便网络编程。

现实生活中，两个人要邮寄信件，必须知道对方的地址。网通信也是如此，只不过这里通信的是程序。程序的地址由三元组（ip 地址，端口，协议）界定。

如果你了解网络协议模型的话，你就会知道，ip 地址是网络层用来路由和通信的标识符，端口（port） 是传输层管理的。而 socket 是在这两层之上，所以需要这两个地址来标识。这里的协议指的是 ipv4，ipv6 或者其他协议。

Socket的种类

Socket有许多种类包括：DARPA Internet 地址（Internet 套接字）、本地节点的路径名（Unix套接字）、CCITT X.25地址（X.25 套接字）

创建 socket 的时候需要指定 socket 的类型，一般有三种：

• SOCK_STREAM：面向连接的稳定通信，底层是 TCP 协议，我们会一直使用这个。
• SOCK_DGRAM：无连接的通信，底层是 UDP 协议，需要上层的协议来保证可靠性。
• SOCK_RAW：更加灵活的数据控制，能让你指定 IP 头部

套接字和TCP/IP协议

实际上，套接字是一种包装。套接字是对 TCP/IP 协议的一种抽象，它屏蔽了底层网络通信的复杂性，使得程序员可以更加简单地进行网络通信。所以，我们还需要知道 socket 与 TCP/IP 协议之间的关系。

三次握手建立连接

我们知道，TCP 协议是建立可靠连接的协议，所以在通信之前，需要先建立连接。建立连接的过程称为三次握手（Three-way Handshake）。

• 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

那么，TCP 协议和 socket 之间有什么关系呢？

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。

总结就是：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。

四次挥手释放连接

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。

Internet套接字

主要的传输方式

https://c.biancheng.net/view/2124.html

流格式套接字：SOCK_STREAM 是一种可靠的、双向的通信数据流，数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送。

数据报套接字：数据报格式套接字（Datagram Sockets）也叫“无连接的套接字”，在代码中使用 SOCK_DGRAM 表示。
计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。

流格式套接字的特点：

1. 发送、接受不是同步的
2. 具有自我修复功能
3. 按照顺序传输

这个流格式套接字就像传送带一样。

Socket编程中的常用函数

Socket中常用函数之间的关系

Socket()

这个函数用来创建一个套接字，函数原型如下：

int socket(int af, int type, int protocol);
//参数：
    //af：表示IP地址类型： 常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF表示address family地址族 PF表示Protocol协议族。其实这两个是一致的。

    //type：表示数据传输方式：常用的有 SOCK_STREAM（流格式套接字/面向连接的套接字） 和 SOCK_DGRAM（数据报套接字/无连接的套接字）

    //protocol：表示传输协议，当使用TCP时，IPPROTO_TCP；使用UDP时，IPPROTO_UDP

//返回值：创建的套接字的文件描述符

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  //IPPROTO_TCP表示TCP协议

int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);  //IPPROTO_UDP表示UDP协议

//上面两种情况都只有一种协议满足条件，可以将 protocol 的值设为 0，系统会自动推演出应该使用什么协议，如下所示：
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建TCP套接字
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  //创建UDP套接字

为什么需要第三个参数：一般情况下有了 af 和 type 两个参数就可以创建套接字了，操作系统会自动推演出协议类型，除非遇到这样的情况：有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型。如果我们不指明使用哪种协议，操作系统是没办法自动推演的。

https://c.biancheng.net/view/2344.html

bind()函数和connect()函数

bind()

这个函数用来将Socket和相应的ip地址、接口绑定起来。

函数原型：

int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
//参数
    //sock：套接字的文件描述符
    //addr；包含ip地址和接口号的结构体
    //addrlen：结构体的长度

//返回值：0：success -1；error

使用：
//创建套接字
int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充
serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口
//将套接字和IP、端口绑定
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

sockaddr_in结构体成员：

struct sockaddr_in{
    sa_family_t     sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址类型
    uint16_t        sin_port;     //16位的端口号
    struct in_addr  sin_addr;     //32位IP地址
    char            sin_zero[8];  //不使用，一般用0填充
};

in_addr结构体：
struct in_addr{
    in_addr_t  s_addr;  //32位的IP地址
};

sockaddr结构体与sockaddr_in结构体：

为什么要将sockaddr结构体强制转换为sockadr_in结构体：

sockaddr 和 sockaddr_in 的长度相同，都是16字节，只是将IP地址和端口号合并到一起，用一个成员 sa_data 表示。要想给 sa_data 赋值，必须同时指明IP地址和端口号，例如”127.0.0.1:80“，遗憾的是，没有相关函数将这个字符串转换成需要的形式，也就很难给 sockaddr 类型的变量赋值，所以使用 sockaddr_in 来代替。这两个结构体的长度相同，强制转换类型时不会丢失字节，也没有多余的字节。

sockaddr 是一种通用的结构体，可以用来保存多种类型的IP地址和端口号，而 sockaddr_in 是专门用来保存 IPv4 地址的结构体。另外还有 sockaddr_in6，用来保存 IPv6 地址。

connect()函数

函数原型：

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen); 

listen()函数

开始监听指定的套接字

函数原型：

#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>

/*
 * sockfd: 监听的 socket 描述符
 * backlog: 建立的最大连接数
 * return: 成功返回 0，失败返回 -1，并设置 erron
 */
int listen(int sockfd, int backlog);

使用示例：

if(listen(fd, 10) == -1){ 
    perror("listen error");
    return -1;
    }

accept()函数

网络编程的核心一步就是建立客户端和服务器端的连接，使用 accept 来建立 2 者的连接：

函数原型：

#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>

/*
 * sockfd: 已经创建的本地正在监听的 socket
 * addr: 保存连接的客户端的地址信息
 * addrlen: sockaddr 的长度指针
 * return: 成功返回客户端的 socket 文件描述符号，失败返回 -1，设置 erron
 */
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

使用示例：

struct sockaddr_in clientaddr;
int clientaddr_len = sizeof(clientaddr);

// 建立连接请求
int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientaddr_len);
if(client_fd == -1) {
    perror("accept error") ;
    exit(1) ;
}

// socket fd 使用完毕也必须关闭
close(client_fd);

send()函数和sendto()函数

send()函数

使用 send 函数发送数据，不同于使用 write 函数。send 函数可以进行 flag 的指定，使之控制更加详细。

函数原型：

#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>


/*
 * sockfd: 已经建立连接的 socket
 * buf: 发送的数据
 * len: 发送数据的长度
 * flags: 发送标志
 * return: 成功返回发送的字节数，失败返回 -1，设置 erron
 */
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

/*
 * to: 目标地址
 * tolen: 目标地址长度
 */
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);

使用示例：

char* msg = "Hello, Socket";
send(client_fd, msg, strlen(msg), 0);

sendto(client_fd, msg, strlen(msg), 0,
      (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr));

recv()函数和recvfrom()函数

既然有发送数据，必然有接收数据的函数，与 send 类似，recv 的功能也跟 read 几乎相同：

#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>


/*
 * sockfd: 已经建立连接的 socket
 * buf: 接收的数据
 * len: 接收数据的最大长度
 * flags: 接收标志
 * return: 成功返回接收的字节数，失败返回 -1，设置 erron
 */
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

//recvfrom()从指定的地址接收数据
/*
 * from: 接收数据的源地址
 * fromlen: 接收数据的源地址长度指针
 */
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen);

使用示例：

char buf[1024];
int len = recv(client_fd, buf, sizeof(buf), 0);
if(len == -1) {
    perror("recv error") ;
    exit(1) ;
}

参考资料

• https://beej-zhcn.netdpi.net/system_call/sendto_yu_recvfrom__lai_dian_dgram
• https://www.csd.uoc.gr/~hy556/material/tutorials/cs556-3rd-tutorial.pdf
• https://hit-alibaba.github.io/interview/basic/network/IP.html
• https://dlonng.com/posts/network
• https://cizixs.com/2015/03/29/basic-socket-programming/#%E7%BB%91%E5%AE%9A%EF%BC%88bind%EF%BC%89%E5%9C%B0%E5%9D%80%E4%B8%89%E5%85%83%E7%BB%84%E5%88%B0-socket