1、網路中程式之間如何通訊？
首要解決的問題是如何唯一標識一個程式，否則通訊無從談起！在本地可以通過程式PID來唯一標識一個程式，但是在網路中這是行不通的。其實TCP/IP協議族已經幫我們解決了這個問題，網路層的“ip地址”可以唯一標識網路中的主機，而傳輸層的“協議+埠”可以唯一標識主機中的應用程式（程式）。這樣利用三元組（ip地址，協議，埠）就可以標識網路的程式了，網路中的程式通訊就可以利用這個標誌與其它程式進行互動。
使用TCP/IP協議的應用程式通常採用應用程式設計介面：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網路程式之間的通訊。就目前而言，幾乎所有的應用程式都是採用socket，而現在又是網路時代，網路中程式通訊是無處不在，這就是我為什麼說“一切皆socket”。網路通訊中需要採用三元組：協議、IP地址、埠號。
2、什麼是Socket？
上面我們已經知道網路中的程式是通過socket來通訊的，那什麼是socket呢？socket起源於Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆檔案”，都可以用“開啟open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的一個實現，socket即是一種特殊的檔案，一些socket函式就是對其進行的操作（讀/寫IO、開啟、關閉），這些函式我們在後面進行介紹。
3、socket的基本操作
既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實現，那麼socket就提供了這些操作對應的函式介面。下面以TCP為例，介紹幾個基本的socket介面函式。
3.1、socket()函式
int socket(int domain, int type, int protocol);
socket函式對應於普通檔案的開啟操作。普通檔案的開啟操作返回一個檔案描述字，而socket()用於建立一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟檔案描述字一樣，後續的操作都有用到它，把它作為引數，通過它來進行一些讀寫操作。
正如可以給fopen的傳入不同引數值，以開啟不同的檔案。建立socket的時候，也可以指定不同的引數建立不同的socket描述符，socket函式的三個引數分別為：
domain：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址型別，在通訊中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與埠號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
type：指定socket型別。常用的socket型別有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的型別有哪些？）。
protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（這個協議我將會單獨開篇討論！）。
注意：並不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type型別對應的預設協議。
當我們呼叫socket建立一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須呼叫bind()函式，否則就當呼叫connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個埠。
3.2、bind()函式
正如上面所說bind()函式把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和埠號組合賦給socket。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函式的三個引數分別為：
sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函式建立了，唯一標識一個socket。bind()函式就是將給這個描述字繫結一個名字。
addr：一個const struct sockaddr *指標，指向要繫結給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址建立socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是：
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對應的是：
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域對應的是：
#define UNIX_PATH_MAX 108
struct sockaddr_un {
sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */
char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */
};
addrlen：對應的是地址的長度。
通常伺服器在啟動的時候都會繫結一個眾所周知的地址（如ip地址+埠號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連伺服器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個埠號和自身的ip地址組合。這就是為什麼通常伺服器端在listen之前會呼叫bind()，而客戶端就不會呼叫，而是在connect()時由系統隨機生成一個。
網路位元組序與主機位元組序
主機位元組序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的位元組序型別，這些位元組序是指整數在記憶體中儲存的順序，這個叫做主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：
a) Little-Endian就是低位位元組排放在記憶體的低地址端，高位位元組排放在記憶體的高地址端。
b) Big-Endian就是高位位元組排放在記憶體的低地址端，低位位元組排放在記憶體的高地址端。
網路位元組序：4個位元組的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端位元組序。由於TCP/IP首部中所有的二進位制整數在網路中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網路位元組序。位元組序，顧名思義位元組的順序，就是大於一個位元組型別的資料在記憶體中的存放順序，一個位元組的資料沒有順序的問題了。
所以：在將一個地址繫結到socket的時候，請先將主機位元組序轉換成為網路位元組序，而不要假定主機位元組序跟網路位元組序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發過血案！公司專案程式碼中由於存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機位元組序不要做任何假定，務必將其轉化為網路位元組序再賦給socket。
3.3、listen()、connect()函式
如果作為一個伺服器，在呼叫socket()、bind()之後就會呼叫listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時呼叫connect()發出連線請求，伺服器端就會接收到這個請求。
int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
listen函式的第一個引數即為要監聽的socket描述字，第二個引數為相應socket可以排隊的最大連線個數。socket()函式建立的socket預設是一個主動型別的，listen函式將socket變為被動型別的，等待客戶的連線請求。
connect函式的第一個引數即為客戶端的socket描述字，第二引數為伺服器的socket地址，第三個引數為socket地址的長度。客戶端通過呼叫connect函式來建立與TCP伺服器的連線。
3.4、accept()函式
TCP伺服器端依次呼叫socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次呼叫socket()、connect()之後就想TCP伺服器傳送了一個連線請求。TCP伺服器監聽到這個請求之後，就會呼叫accept()函式取接收請求，這樣連線就建立好了。之後就可以開始網路I/O操作了，即類同於普通檔案的讀寫I/O操作。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
accept函式的第一個引數為伺服器的socket描述字，第二個引數為指向struct sockaddr *的指標，用於返回客戶端的協議地址，第三個引數為協議地址的長度。如果accpet成功，那麼其返回值是由核心自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連線。
注意：accept的第一個引數為伺服器的socket描述字，是伺服器開始呼叫socket()函式生成的，稱為監聽socket描述字；而accept函式返回的是已連線的socket描述字。一個伺服器通常通常僅僅只建立一個監聽socket描述字，它在該伺服器的生命週期內一直存在。核心為每個由伺服器程式接受的客戶連線建立了一個已連線socket描述字，當伺服器完成了對某個客戶的服務，相應的已連線socket描述字就被關閉。
3.5、read()、write()等函式
萬事具備只欠東風，至此伺服器與客戶已經建立好連線了。可以呼叫網路I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同程式之間的通訊！網路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()函式，這兩個函式是最通用的I/O函式，實際上可以把上面的其它函式都替換成這兩個函式。它們的宣告如下：
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
read函式是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的位元組數，如果返回的值是0表示已經讀到檔案的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網路連線出了問題。
write函式將buf中的nbytes位元組內容寫入檔案描述符fd.成功時返回寫的位元組數。失敗時返回-1，並設定errno變數。 在網路程式中，當我們向套接字檔案描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是全部的資料。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤型別來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示網路連線出現了問題(對方已經關閉了連線)。
其它的我就不一一介紹這幾對I/O函式了，具體參見man文件或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。
3.6、close()函式
在伺服器與客戶端建立連線之後，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完開啟的檔案要呼叫fclose關閉開啟的檔案。
#include <unistd.h>
int close(int fd);
close一個TCP socket的預設行為時把該socket標記為以關閉，然後立即返回到呼叫程式。該描述字不能再由呼叫程式使用，也就是說不能再作為read或write的第一個引數。
注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向伺服器傳送終止連線請求。
4、socket中TCP的三次握手建立連線詳解
我們知道tcp建立連線要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下：
客戶端向伺服器傳送一個SYN J
伺服器向客戶端響應一個SYN K，並對SYN J進行確認ACK J+1
客戶端再想伺服器發一個確認ACK K+1
只有就完了三次握手，但是這個三次握手發生在socket的那幾個函式中呢？請看下圖：
從圖中可以看出，當客戶端呼叫connect時，觸發了連線請求，向伺服器傳送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態；伺服器監聽到連線請求，即收到SYN J包，呼叫accept函式接收請求向客戶端傳送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到伺服器的SYN K ，ACK J+1之後，這時connect返回，並對SYN K進行確認；伺服器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，連線建立。
總結：客戶端的connect在三次握手的第二個次返回，而伺服器端的accept在三次握手的第三次返回。
5、socket中TCP的四次握手釋放連線詳解
上面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程，及其涉及的socket函式。現在我們介紹socket中的四次握手釋放連線的過程，請看下圖：
圖示過程如下：
某個應用程式首先呼叫close主動關閉連線，這時TCP傳送一個FIN M；
另一端接收到FIN M之後，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也作為檔案結束符傳遞給應用程式，因為FIN的接收意味著應用程式在相應的連線上再也接收不到額外資料；
一段時間之後，接收到檔案結束符的應用程式呼叫close關閉它的socket。這導致它的TCP也傳送一個FIN N；
接收到這個FIN的源傳送端TCP對它進行確認。
這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。
6.Windows下的socket
WinSock是一個基於套接字模型的API，在Microsoft Windows的作業系統中使用。它在以上介紹的Berkeley介面基礎上，增加了訊息驅動機制的windows擴充套件函式：
gethostbyaddr、gethostbyname、WSAAsynSelect,WSAGetLastError等。
winsock的使用首先呼叫WSAStartup（）初始化winsock，即檢系統中是否有windows sockets的實現庫。然後類似於berkeley的socket進行程式設計，最後需要呼叫WSACleanup函式，釋放為應用程式分配的相關資源。
下面的基於TCP的示例中詳細的標出了應該進行的每一步，可以作為參考：
【server端】
#include <winsock2.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
using namespace std;
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") //add ws2_32.lib
const int DEFAULT_PORT = 8000;
int main(int argc,char* argv[])
{
WORD wVersionRequested;
WSADATA wsaData;
int err,iLen;
wVersionRequested = MAKEWORD(2,2);//create 16bit data
//(1)Load WinSock
err = WSAStartup(wVersionRequested,&wsaData); //load win socket
if(err!=0)
{
cout<<"Load WinSock Failed!";
return -1;
}
//(2)create socket
SOCKET sockSrv = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sockSrv == INVALID_SOCKET){
cout<<"socket() fail:"<<WSAGetLastError()<<endl;
return -2;
}
//(3)server IP
SOCKADDR_IN addrSrv;
addrSrv.sin_family = AF_INET;
addrSrv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//Auto IP, byte sequence change
addrSrv.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);
//(4)bind
err = bind(sockSrv,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));
if(err!=0)
{
cout<<"bind()fail"<<WSAGetLastError()<<endl;
return -3;
}
//
//(5)listen
err = listen(sockSrv,5);
if(err!=0)
{
cout<<"listen()fail"<<WSAGetLastError()<<endl;
return -4;
}
cout<<"Server waitting...:"<<endl;
//(6)client ip
SOCKADDR_IN addrClt;
int len = sizeof(SOCKADDR);
while(1)
{
//(7)accept
SOCKET sockConn = accept(sockSrv,(SOCKADDR*)&addrClt,&len);
char sendBuf[1024],hostname[100];
if(gethostname(hostname,100)!=0) //get host name
strcpy(hostname,"None");
sprintf(sendBuf,"Welecome %s connected to %s!",inet_ntoa(addrClt.sin_addr),hostname);
//(8)send recv
err = send(sockConn,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);
char recvBuf[1024]="\0";
iLen = recv(sockConn,recvBuf,1024,0);
recvBuf[iLen]='\0';
cout <<recvBuf<<endl;
//(9)close connected sock
closesocket(sockConn);
}
//(10)close server sock
closesocket(sockSrv);
//(11)clean up winsock
WSACleanup();
return 0;
}
【client端】
#include <winsock2.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
using namespace std;
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") //add ws2_32.lib
const int DEFAULT_PORT = 8000;
int main(int argc,char* argv[])
{
WORD wVersionRequested;
WSADATA wsaData;
int err,iLen;
wVersionRequested = MAKEWORD(2,2);//create 16bit data
//(1)Load WinSock
err = WSAStartup(wVersionRequested,&wsaData); //load win socket
if(err!=0)
{
cout<<"Load WinSock Failed!";
return -1;
}
//(2)create socket
SOCKET sockClt = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sockClt == INVALID_SOCKET){
cout<<"socket() fail:"<<WSAGetLastError()<<endl;
return -2;
}
//(3)IP
SOCKADDR_IN addrSrv;
addrSrv.sin_family = AF_INET;
addrSrv.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
addrSrv.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);
//(5)connect
err = connect(sockClt,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));
if(err ==INVALID_SOCKET)
{
cout<<"connect() fail"<<WSAGetLastError()<<endl;
return -1;
}
char sendBuf[1024],hostname[100];
if(gethostname(hostname,100)!=0) //get host name
strcpy(hostname,"None");
strcpy(sendBuf,hostname);
strcat(sendBuf,"have connected to you!");
err = send(sockClt,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);
char recvBuf[1024]="\0";
iLen = recv(sockClt,recvBuf,1024,0);
if(iLen ==0)
return -3;
else if(iLen==SOCKET_ERROR){
cout<<"recv() fail:"<<WSAGetLastError()<<endl;
return -4;
}
else
{
recvBuf[iLen] = '\0';
cout<<recvBuf<<endl;
}
closesocket(sockClt);
WSACleanup();
system("PAUSE");
return 0;
}