2020-06-11

计算机网络

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计算机网络教程-套接字

套接字的数据结构

C 语言将套接字定义为一个结构（struct）。套接字结构由五个字段组成；每个套接字地址是一个由五部分构成的结构。

图1，套接字数据结构

族。这个字段定义了协议簇（如何解释地址和端口号）。
- 通常值是PF_INET（用于当前因特网）、PF_INET6（用于下一代因特网）等等。我们在本节使用PF_INET。
类型。这个字段定义了四个套接字类型：
- SOCK_STREAM（用于TCP）
- SOCK_DGRAM（用于UDP）、
- SOCK_SEQPACKET（用于SCTP）
- SOCK_RAW（用于直接使用ISP 服务的应用）。
协议。这个字段定义了族中特定协议。对于TCP/IP 协议簇这个字段设置为0，因为它是族中唯一的协议。
本地套接字地址。这个字段定义了本地套接字地址。
- 一个套接字地址是一个结构，它由长度字段、族字段（对于TCP/IP 协议簇，它被设置为常量AF_INET）、端口号字段（定义了进程）以及IP 地址字段（定义了正在运行的进程所在的主机）构成。它也包含未使用字段。
远程套接字地址。这个字段定义了远程套接字地址。它的结构与本地套接字地址相同。

头文件

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/innet.h>
#include <sys/wait.h>

使用 TCP 通信

TCP 是面向连接的协议。在发送或接收数据之前，需要在客户端和服务器之间建立连接。在连接建立之后，只要它们有数据要发送或接收，两端就可以彼此发送以及接收数据块。
TCP 连接可以是迭代的（一次服务一个客户）也可以是并发的（一次服务多个客户）。

TCP 中使用的套接字

TCP 服务器使用两个不同的套接字:

一个用于连接建立。称为监听套接字（listen socket）。
一个用于数据传输。称为套接字（socket）。
设置两种套接字的目的是将建立阶段和数据交换阶段分开。

服务器使用监听套接字来监听试图建立连接的新客户。在连接建立之后，服务器创建一个用于和客户交换数据的套接字并且最终终止连接。
客户只使用一个套接字用于连接建立以及数据交换。

图2，TCP 通信中使用的套接字

通信流程图

图3，迭代TCP通信流程图

服务器进程

TCP 服务器进程调用socket 和bind 函数，但是这两个函数创建监听套接字，它只在连接建立阶段被使用。
之后，服务器进程调用listen函数，允许操作系统开始接收客户、完成连接阶段并把他们放入等待被服务的列表。
- 这个函数也定义了被连接的客户等待列表的大小，这依赖于服务器进程的复杂性，但是通常值为5。
现在，服务器进程开始循环并且逐一对客户进行服务。
- 在每次循环中，服务器进程调用accept函数从已连接客户的等待列表中去除一个客户，对其进行服务。
- 如果列表是空的，那么accept 函数进入阻塞状态直到出现一个客户待服务。
- 当accept 函数返回，它创建一个新的与监听套接字一样的套接字。
监听套接字现在移入后台，并且新的套接字成为活动套接字。
服务器进程现在使用连接建立期间获得的客户套接字地址，用它来填充新建套接字的远程套接字地址。

此时，客户和服务器可以交换数据。我们没有给出数据传输的特定方式，因为这取决于特定的客户-服务器对。

TCP 使用send以及recv程序在它们之间传输数据字节。这两个函数比UDP 中使用的sendto 和recvfrom 函数更简单，因为它们不提供远程套接字地址；连接已经在客户和服务器之间建立。
然而，由于TCP 用于传输无边界报文，每个应用需要仔细设计数据传输部分。

send 和recv 函数可能被调用多次来处理大量数据传输。可以将上图的流程图当作一个通用流程图；如果是特殊用途，需要定义服务器数据传输（sever data-transfer）盒。

客户进程

客户进程进行主动开启（active open）。换言之，它开启连接。它调用socket 函数来创建一个套接字并填充前三个字段。
尽管某些实现要求客户进程也调用bind 函数来填充本地套接字，但通常这是由操作系统自动完成的，操作系统为客户选择一个临时端口号
最终close 函数被调用以销毁套接字。
客户流程图与UDP 版本类似，除了客户数据传输（client data-transfer）盒需要为每个特定情况定义。

套接字接口编程（TCP）

编写客户和服务器程序来模拟使用TCP的标准回送应用——客户程序发送一个短的字符串给服务器；服务器将相同的字符串回送到客户。在我们这样做之前，需要为客户和服务器数据传输盒提供流程图

客户和服务器数据传输盒的流程图

图4，客户和服务器数据传输盒的流程图
（发送消息和回送消息）对于发送和回送短的字符这个特定的情况，因为待发送的字符串很短（小于几个单词），我们可以在客户端调用send函数一次完成。
然而，TCP 并不保证把整个报文在一个报文段内发送。因此，我们需要在服务器端调用一组recv（在一个循环内）来接收整个报文并将它们收集到缓冲区内，从而能一次性发送回去。
当服务器向客户发送回送报文时，它也可能使用多个报文段，这意味着客户的recv 程序需要调用多少次就会被调用多少次。

缓冲区设置

另一个有待解决的问题是设置缓冲区，缓冲区用于在每个站点接收数据。

我们需要控制接收的字节数以及下一个数据块存储的位置。
如图所示，程序设置了一些变量进行控制。
在每次迭代中，指针（ptr）移动指向下一个要接收的字节，接收字节的长度（len）呈增长趋势并且待接收的最大字节数（maxLen）呈减少趋势。

图5，用于接收的缓冲区

回送服务器程序

程序遵循迭代TCP通信流程图。
第 6 行到第16 行声明并定义了变量。
第18 行到第21 行分配内存并且按UDP 情况下所述创建了本地（服务器）套接字地址。
第23 行到第27 行创建了监听套接字。第29 行到第33 行将监听套接字绑定到第18 行到第21 行创建的服务器套接字地址上。
第35 行到第39 行是TCP 通信中的新内容。调用 listen 函数让操作系统完成连接建立阶段并将客户置入等待列表。
第44 行到第48 行调用accept 函数来移除等待列表中的第一个客户并开始为其服务。如果在等待列表中没有客户，那么这个函数处于阻塞状态。
第50 行到第56 行对图2-63 中描述的数据传输部分进行编码。最大缓冲区大小与回送字符串长度都和图5中所示相同。

//回送服务器程序
# include"headerFiles.h"  //也就是我上面写的那些头文件的集合
int main()
{
	//声明并定义
	int ls;                                        //监听套接字描述符（引用）
	int s;                                         //套接字描述符（引用）
	char buffer[256];                              //数据缓冲区
	char *ptr=buffer;                              //数据缓冲区
	int len=0;                                     //等待接收或者发送的字节数
	int maxLen=sizeof(buffer);                     //最大接收字节数
	int n;                                         //每次调用receive接收的字节数
	int waitSize=16;                               //等待客户数量
	struct sockaddr_in servAddr;                   //服务器地址
	struct sockaddr_in clntAddr;                   //客户地址
	int clntAddrLen;                               //客户地址长度
	//创建本地（服务器）套接字地址
	memset(&servAddr,0,sieof(servAddr));
	servAddr.sin_family=AF_INET;
	servAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);     //默认IP地址
	servAddr.sin_port=htonl(SERV_PORT);             //默认端口
	//创建监听套接字
	if(ls=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0)<0)           //PF_INET族，SOCK_STREAM指套接字类型（tcp）
	{
		perror("Error:Listen socket failed!");
		exit(1);
	}
	//将套接字绑定到本地套接字地址
	if(bind(ls,&servAddr,sizeof(servAddr))<0)
	{
		perror("Error:binding failed!");
		exit(1);
	} 		
	//创建连接请求
	if(listen(ls,waitSize)<0)
	{
		perror("Error:listening failed!");
		exit(1);
	}
	//处理连接
	for(;;)       //永远运行
	{
		//接收来自客户的连接
		if(s=accept(ls,&clntAddr,&clntAddrLen)<0)
		{
			perror("Error:accepting failed!");
			exit(1);
		}
		//数据传输部分
		while((n=recv(s,ptr,maxLen,0))>0)
		{
			ptr+=n;           //在缓冲区上移动指针
			maxLen-=n;        //调整待接收的最大字节数
			len+=n;           //更新已经接收的字节数
		}
		send(s,buffer,len,0); //发回（回送）所有接收的字节
		//关闭套接字
		close(s);
	}//循环结束
}//回送服务器程序结束

tips:

在C/C++写网络程序的时候，往往会遇到字节的网络顺序和主机顺序的问题。这是就可能用到htonl(), ntohl(), ntohs()，htons()这4个函数。
htonl()–”Host to Network Long”
ntohl()–”Network to Host Long”
htons()–”Host to Network Short”
ntohs()–”Network to Host Short”

回送客户程序

TCP 的客户程序与UDP 的客户程序非常相似，只有些许不同。

因为TCP 是面向连接的协议第36 行到第40 行调用connect 函数连接服务器。
第42 行到第48 行使用图3中的思想完成数据传输。
按图5所示方式完成接收数据的长度调整和指针移动。

//回送客户程序
# include"headerFiles.h"  //也就是我上面写的那些头文件的集合
int main(int argc,char *argv[])   //三个参数之后待检验
{
	//声明并定义
	int s;                                        //套接字描述符
	int n;                                         //每次调用recv接收的字节数
	char servName;                                 //服务器名
	int servPort;                                  //服务器名
	char *string;                                  //被回送的字符串
	int len;                                       //被回送的字符串的长度
	char buffer[256+1];                            //缓冲区
	char *ptr=buffer;                              //在缓冲区上移动指针	
	struct sockaddr_in serverAddr;                   //服务器套接字地址
	//检测并设置参数
	if(argc!=3)
	{
		printf("Error:three arguments are needed!");
		exit(1);
	}
	servName=argv[1];
	servPort=atoi(argv[2]);
	string=arg[3];
	//创建远程（服务器）套接字地址
	memset(&serverAddr,0,sieof(serverAddr));
	servAddr.sin_family=AF_INET;
	inet_pton(AF_INET,servName,&serverAddr.sin_addr); //服务器IP地址
	serverAddr.sin_port=htons(SERV_PORT);               //默认端口
	//创建套接字
	if(ls=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0)<0)
	{
		perror("Error: socket creation failed!");
		exit(1);
	}
	//连接到服务器
	if(connect(sd,(struct sockaddr*)&serverAddr,sizeof(serverAddr))<0)
	{
		perror("Error:connection failed!");
		exit(1);
	}	
	//数据传输部分
	send(s,string,strlen(string),0);
	while((n=recv(s,ptr,maxLen,0))>0)
	{
			ptr+=n;           //在缓冲区上移动指针
			maxLen-=n;        //调整待接收的最大字节数
			len+=n;           //更新已经接收的字节数	
	}
	//打印并验证回送的字符串
	buffer[len]='\0';
	printf("Echoed string received:");
	fputs(buffer,stdout);
	//关闭套接字
	close(s);
	//停止程序
	exit(0);
}//回送客户程序结束

Linux下的socket()函数

inux中的一切都是文件，每个文件都有一个整数类型的文件描述符；
socket也是一个文件，也有文件描述符。使用socket()函数创建套接字以后，返回值就是一个 int类型的文件描述符。
在 Linux 下使用 <sys/socket.h> 头文件中 socket()函数来创建套接字，原型为：

1	int socket(int af, int type, int protocol);

1) af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。

AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet”的简写。
AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；
AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
也可以使用 PF 前缀，PF 是“Protocol Family”的简写，它和 AF 是一样的。例如，PF_INET 等价于 AF_INET，PF_INET6 等价于 AF_INET6。

需要记住127.0.0.1，它是一个特殊IP地址，表示本机地址

2) type 为数据传输方式/套接字类型，

常用的有 SOCK_STREAM（流格式套接字/面向连接的套接字）
SOCK_DGRAM（数据报套接字/无连接的套接字）

3) protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。
有了地址类型和数据传输方式，还不足以决定采用哪种协议吗？为什么还需要第三个参数呢？

正如大家所想，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。

本教程使用 IPv4 地址，参数 af 的值为 PF_INET。如果使用 SOCK_STREAM 传输数据，那么满足这两个条件的协议只有 TCP，因此可以这样来调用 socket() 函数：

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

这种套接字称为 TCP 套接字。

如果使用 SOCK_DGRAM 传输方式，那么满足这两个条件的协议只有 UDP，因此可以这样来调用 socket() 函数：

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

这种套接字称为 UDP 套接字。

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：

1 2	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

Windows下的socket()函数

Windows 会区分 socket 和普通文件，它把 socket 当做一个网络连接来对待，调用 socket() 以后，返回值是 SOCKET 类型，用来表示一个套接字。
Windows 下也使用 socket() 函数来创建套接字，原型为：

1	SOCKET socket(int af, int type, int protocol);

除了返回值类型不同，其他都是相同的。Windows 不把套接字作为普通文件对待，而是返回 SOCKET 类型的句柄。

参考资料

计算机网络-自顶向下方法
bind()和connect()函数：绑定套接字并建立连接
 listen()和accept()函数：让套接字进入监听状态并响应客户端请求
 send()/recv()和write()/read()：发送数据和接收数据
 TCP协议的无消息边界问题
 TCP协议的粘包问题（数据的无边界性）
TCP网络传输“粘包”问题，经典解决（附代码）
socket()函数用法详解：创建套接字

# TCP, 套接字

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