Socket原理與程式設計基礎

liuxixi發表於2016-06-07

一、Socket簡介

Socket是程式通訊的一種方式,即呼叫這個網路庫的一些API函式實現分佈在不同主機的相關程式之間的資料交換。

幾個定義:

(1)IP地址:即依照TCP/IP協議分配給本地主機的網路地址,兩個程式要通訊,任一程式首先要知道通訊對方的位置,即對方的IP。

(2)埠號:用來辨別本地通訊程式,一個本地的程式在通訊時均會佔用一個埠號,不同的程式埠號不同,因此在通訊前必須要分配一個沒有被訪問的埠號。

(3)連線:指兩個程式間的通訊鏈路。

(4)半相關:網路中用一個三元組可以在全域性唯一標誌一個程式:

(協議,本地地址,本地埠號)

這樣一個三元組,叫做一個半相關,它指定連線的每半部分。

(4)全相關:一個完整的網間程式通訊需要由兩個程式組成,並且只能使用同一種高層協議。也就是說,不可能通訊的一端用TCP協議,而另一端用UDP協議。因此一個完整的網間通訊需要一個五元組來標識:

(協議,本地地址,本地埠號,遠地地址,遠地埠號)

這樣一個五元組,叫做一個相關(association),即兩個協議相同的半相關才能組合成一個合適的相關,或完全指定組成一連線。

 

二、客戶/伺服器模式

在TCP/IP網路應用中,通訊的兩個程式間相互作用的主要模式是客戶/伺服器(Client/Server, C/S)模式,即客戶向伺服器發出服務請求,伺服器接收到請求後,提供相應的服務。客戶/伺服器模式的建立基於以下兩點:

(1)首先,建立網路的起因是網路中軟硬體資源、運算能力和資訊不均等,需要共享,從而造就擁有眾多資源的主機提供服務,資源較少的客戶請求服務這一非對等作用。

(2)其次,網間程式通訊完全是非同步的,相互通訊的程式間既不存在父子關係,又不共享記憶體緩衝區,因此需要一種機制為希望通訊的程式間建立聯絡,為二者的資料交換提供同步,這就是基於客戶/伺服器模式的TCP/IP。

伺服器端:

其過程是首先伺服器方要先啟動,並根據請求提供相應服務:

(1)開啟一通訊通道並告知本地主機,它願意在某一公認地址上的某埠(如FTP的埠可能為21)接收客戶請求;

(2)等待客戶請求到達該埠;

(3)接收到客戶端的服務請求時,處理該請求併傳送應答訊號。接收到併發服務請求,要啟用一新程式來處理這個客戶請求(如UNIX系統中用fork、exec)。新程式處理此客戶請求,並不需要對其它請求作出應答。服務完成後,關閉此新程式與客戶的通訊鏈路,並終止。

(4)返回第(2)步,等待另一客戶請求。

(5)關閉伺服器

客戶端:

(1)開啟一通訊通道,並連線到伺服器所在主機的特定埠;

(2)向伺服器發服務請求報文,等待並接收應答;繼續提出請求......

(3)請求結束後關閉通訊通道並終止。

 

從上面所描述過程可知:

(1)客戶與伺服器程式的作用是非對稱的,因此程式碼不同。

(2)伺服器程式一般是先啟動的。只要系統執行,該服務程式一直存在,直到正常或強迫終止。

 

介紹完基礎知識,下面就介紹一些API函式:

 

建立套接字──socket()

應用程式在使用套接字前,首先必須擁有一個套接字,系統呼叫socket()嚮應用程式提供建立套接字的手段,其呼叫格式如下:

 

SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol);

 

該呼叫要接收三個引數:af、type、protocol。引數af指定通訊發生的區域:AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等,而DOS、WINDOWS中僅支援AF_INET,它是網際網區域。因此,地址族與協議族相同。引數type 描述要建立的套接字的型別。這裡分三種:

(1)一是TCP流式套接字(SOCK_STREAM)提供了一個面向連線、可靠的資料傳輸服務,資料無差錯、無重複地傳送,且按傳送順序接收。內設流量控制,避免資料流超限;資料被看作是位元組流,無長度限制。檔案傳送協議(FTP)即使用流式套接字。

(2)二是資料包式套接字(SOCK_DGRAM)提供了一個無連線服務。資料包以獨立包形式被髮送,不提供無錯保證,資料可能丟失或重複,並且接收順序混亂。網路檔案系統(NFS)使用資料包式套接字。

(3)三是原始式套接字(SOCK_RAW)該介面允許對較低層協議,如IP、ICMP直接訪問。常用於檢驗新的協議實現或訪問現有服務中配置的新裝置。

引數protocol說明該套接字使用的特定協議,如果呼叫者不希望特別指定使用的協議,則置為0,使用預設的連線模式。根據這三個引數建立一個套接字,並將相應的資源分配給它,同時返回一個整型套接字號。因此,socket()系統呼叫實際上指定了相關五元組中的“協議”這一元。

 

指定本地地址──bind()

當一個套接字用socket()建立後,存在一個名字空間(地址族),但它沒有被命名。bind()將套接字地址(包括本地主機地址和本地埠地址)與所建立的套接字號聯絡起來,即將名字賦予套接字,以指定本地半相關。其呼叫格式如下:

 

int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

 

引數s是由socket()呼叫返回的並且未作連線的套接字描述符(套接字號)。引數name 是賦給套接字s的本地地址(名字),其長度可變,結構隨通訊域的不同而不同。namelen表明了name的長度。如果沒有錯誤發生,bind()返回0。否則返回SOCKET_ERROR。

 

建立套接字連線──connect()與accept()

這兩個系統呼叫用於完成一個完整相關的建立,其中connect()用於建立連線。accept()用於使伺服器等待來自某客戶程式的實際連線。

 

connect()的呼叫格式如下:

 

int PASCAL FAR connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

 

引數s是欲建立連線的本地套接字描述符。引數name指出說明對方套接字地址結構的指標。對方套接字地址長度由namelen說明。

 

如果沒有錯誤發生,connect()返回0。否則返回值SOCKET_ERROR。在面向連線的協議中,該呼叫導致本地系統和外部系統之間連線實際建立。

 

由於地址族總被包含在套接字地址結構的前兩個位元組中,並通過socket()呼叫與某個協議族相關。因此bind()和connect()無須協議作為引數。

 

accept()的呼叫格式如下:

 

SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);

 

引數s為本地套接字描述符,在用做accept()呼叫的引數前應該先呼叫過listen()。addr 指向客戶方套接字地址結構的指標,用來接收連線實體的地址。addr的確切格式由套接字建立時建立的地址族決定。addrlen 為客戶方套接字地址的長度(位元組數)。如果沒有錯誤發生,accept()返回一個SOCKET型別的值,表示接收到的套接字的描述符。否則返回值INVALID_SOCKET。

 

accept()用於面向連線伺服器。引數addr和addrlen存放客戶方的地址資訊。呼叫前,引數addr 指向一個初始值為空的地址結構,而addrlen 的初始值為0;呼叫accept()後,伺服器等待從編號為s的套接字上接受客戶連線請求,而連線請求是由客戶方的connect()呼叫發出的。當有連線請求到達時,accept()呼叫將請求連線佇列上的第一個客戶方套接字地址及長度放入addr 和addrlen,並建立一個與s有相同特性的新套接字號。新的套接字可用於處理伺服器併發請求。

 

四個套接字系統呼叫,socket()、bind()、connect()、accept(),可以完成一個完全五元相關的建立。socket()指定五元組中的協議元,它的用法與是否為客戶或伺服器、是否面向連線無關。bind()指定五元組中的本地二元,即本地主機地址和埠號,其用法與是否面向連線有關:在伺服器方,無論是否面向連線,均要呼叫bind(),若採用面向連線,則可以不呼叫bind(),而通過connect()自動完成。若採用無連線,客戶方必須使用bind()以獲得一個唯一的地址。

 

監聽連線──listen()

此呼叫用於面向連線伺服器,表明它願意接收連線。listen()需在accept()之前呼叫,其呼叫格式如下:

 

int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);

 

引數s標識一個本地已建立、尚未連線的套接字號,伺服器願意從它上面接收請求。backlog表示請求連線佇列的最大長度,用於限制排隊請求的個數,目前允許的最大值為5。如果沒有錯誤發生,listen()返回0。否則它返回SOCKET_ERROR。

 

listen()在執行呼叫過程中可為沒有呼叫過bind()的套接字s完成所必須的連線,並建立長度為backlog的請求連線佇列。

 

呼叫listen()是伺服器接收一個連線請求的四個步驟中的第三步。它在呼叫socket()分配一個流套接字,且呼叫bind()給s賦於一個名字之後呼叫,而且一定要在accept()之前呼叫。

 

資料傳輸──send()與recv()

當一個連線建立以後,就可以傳輸資料了。常用的系統呼叫有send()和recv()。

send()呼叫用於s指定的已連線的資料包或流套接字上傳送輸出資料,格式如下:

 

int PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);

 

引數s為已連線的本地套接字描述符。buf 指向存有傳送資料的緩衝區的指標,其長度由len 指定。flags 指定傳輸控制方式,如是否傳送帶外資料等。如果沒有錯誤發生,send()返回總共傳送的位元組數。否則它返回SOCKET_ERROR。

recv()呼叫用於s指定的已連線的資料包或流套接字上接收輸入資料,格式如下:

 

int PASCAL FAR recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);

 

引數s 為已連線的套接字描述符。buf指向接收輸入資料緩衝區的指標,其長度由len 指定。flags 指定傳輸控制方式,如是否接收帶外資料等。如果沒有錯誤發生,recv()返回總共接收的位元組數。如果連線被關閉,返回0。否則它返回SOCKET_ERROR。

 

輸入/輸出多路複用──select()

select()呼叫用來檢測一個或多個套接字的狀態。對每一個套接字來說,這個呼叫可以請求讀、寫或錯誤狀態方面的資訊。請求給定狀態的套接字集合由一個fd_set結構指示。在返回時,此結構被更新,以反映那些滿足特定條件的套接字的子集,同時, select()呼叫返回滿足條件的套接字的數目,其呼叫格式如下:

 

int PASCAL FAR select(int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout);

 

引數nfds指明被檢查的套接字描述符的值域,此變數一般被忽略。

 

引數readfds指向要做讀檢測的套接字描述符集合的指標,呼叫者希望從中讀取資料。引數writefds 指向要做寫檢測的套接字描述符集合的指標。exceptfds指向要檢測是否出錯的套接字描述符集合的指標。timeout指向select()函式等待的最大時間,如果設為NULL則為阻塞操作。select()返回包含在fd_set結構中已準備好的套接字描述符的總數目,或者是發生錯誤則返回SOCKET_ERROR。

 

關閉套接字──closesocket()

closesocket()關閉套接字s,並釋放分配給該套接字的資源;如果s涉及一個開啟的TCP連線,則該連線被釋放。closesocket()的呼叫格式如下:

 

BOOL PASCAL FAR closesocket(SOCKET s);

 

引數s待關閉的套接字描述符。如果沒有錯誤發生,closesocket()返回0。否則返回值SOCKET_ERROR。

 

以上就是SOCKET API一些常用的API函式,下面是一段程式碼:

 

//客戶端程式碼:

#include <WINSOCK2.H>

#include <stdio.h>

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

 

int main()

{

       int err;

       WORD versionRequired;

       WSADATA wsaData;

       versionRequired=MAKEWORD(1,1);

       err=WSAStartup(versionRequired,&wsaData);//協議庫的版本資訊

      

       if (!err)

       {

              printf("客戶端巢狀字已經開啟!\n");

       }

       else

       {

              printf("客戶端的巢狀字開啟失敗!\n");

              return 0;//結束

       }

       SOCKET clientSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

       SOCKADDR_IN clientsock_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));//注意第三個引數

       //listen(clientSocket,5);

       connect(clientSocket,(SOCKADDR*)&clientsock_in,sizeof(SOCKADDR));//開始連線

      

       char receiveBuf[100];

       recv(clientSocket,receiveBuf,101,0);

       printf("%s\n",receiveBuf);

      

       send(clientSocket,"hello,this is client",strlen("hello,this is client")+1,0);

       closesocket(clientSocket);

       WSACleanup();

       return 0;

}

 

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//伺服器端程式碼:

#include <WINSOCK2.H>

#include <stdio.h>

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

int main()

{

       //建立套接字

       WORD myVersionRequest;

       WSADATA wsaData;

       myVersionRequest=MAKEWORD(1,1);

       int err;

       err=WSAStartup(myVersionRequest,&wsaData);

       if (!err)

       {

              printf("已開啟套接字\n");

             

       }

       else

       {

              //進一步繫結套接字

              printf("巢狀字未開啟!");

              return 0;

       }

       SOCKET serSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//建立了可識別套接字

       //需要繫結的引數

       SOCKADDR_IN addr;

       addr.sin_family=AF_INET;

       addr.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);//ip地址

       addr.sin_port=htons(6000);//繫結埠

      

       bind(serSocket,(SOCKADDR*)&addr,sizeof(SOCKADDR));//繫結完成

       listen(serSocket,5);//其中第二個引數代表能夠接收的最多的連線數

      

       //////////////////////////////////////////////////////////////////////////

       //開始進行監聽

       //////////////////////////////////////////////////////////////////////////

       SOCKADDR_IN clientsocket;

       int len=sizeof(SOCKADDR);

       while (1)

       {

              SOCKET serConn=accept(serSocket,(SOCKADDR*)&clientsocket,&len);//如果這裡不是accept而是conection的話。。就會不斷的監聽

              char sendBuf[100];

             

              sprintf(sendBuf,"welcome %s to bejing",inet_ntoa(clientsocket.sin_addr));//找對對應的IP並且將這行字列印到那裡

              send(serConn,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);

              char receiveBuf[100];//接收

              recv(serConn,receiveBuf,strlen(receiveBuf)+1,0);

              printf("%s\n",receiveBuf);

              closesocket(serConn);//關閉

              WSACleanup();//釋放資源的操作

       }

       return 0;

}

轉自:http://acm.tzc.edu.cn/acmhome/projectList.do?method=projectNewsDetail&nid=2

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