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通信网络实验-socket编程

由 99封情书 提交于 2019-11-28 06:23:28

Socket编程学习

一、Socket简介

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个外观模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

二、Socket使用方法

使用Socket时，要分别在服务器端和客户端进行设置。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。整个过程可以用一张图概括如下：

三、Socket的基本函数

1.socket()

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。
正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

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（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。

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。

protocol：顾名思义，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。

2.bind()函数

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 */ 
};

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，由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。

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。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。

3.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。

4.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()之后就向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。

5.read(),write()函数

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)。

6.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。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。

四、Socket编程实战

理论知识都掌握了并不代表对于知识就完全理解了，下面我们就以一个小例子来检测下我们学习的成果吧！

我们分别编写了client端和server端的代码，如下
client端：

#include <winsock2.h>
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys\types.h>
#include <conio.h>
#include <WS2tcpip.h>
#include <tchar.h>

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#define PORT 5432
int _tmain(int argc,char** argv)
{
    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;
    int err = 0, rval = 0;
    SOCKET fd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    struct hostent* hp;
    char sendbuf[1024] = "",recvbuf[1024] = "";

    wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);
    err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
    if (err != 0)
    {
        return -1;
    }
    if ((fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0)//创建socket
    {
        printf("Can not create socket!\n");
        exit(2);
    }
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    //将主机的无符号短整形字节顺序转换成网络字节顺序
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    hp = gethostbyname("Tools");//Tools是我的计算机的名称

    memcpy((char*)&servaddr.sin_addr, (char*)hp->h_addr, hp->h_length);
    memset(servaddr.sin_zero, 0, sizeof(servaddr.sin_zero));
    //Connect
    rval = connect(fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));


    if (rval < 0)
    {
        printf("Can not create connect!\n");
        exit(3);
    }
    else
    {
        printf("---Got connection from server.---\n---Input exit to disconnect.---\n");
        recv(fd, recvbuf, 1024, 0);
        while (strcmp(recvbuf,"exit")!= 0)
        {
            printf("Server:%s\nClient:", recvbuf);
            fgets(sendbuf, 1024, stdin);
            if (strcmp(sendbuf,"exit")==0)
            {
                send(fd, "exit", 5, 0);
                break;
            }
            send(fd, sendbuf, strlen(sendbuf) + 1, 0);
            recv(fd, recvbuf, 1024, 0);
        }
    }
    closesocket(fd);
    WSACleanup();
    exit(0);
}

server端：

#include <winsock2.h>
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys\types.h>
#include <conio.h>
#include <WS2tcpip.h>
#include <tchar.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#define MYPORT 5432
#define BACKLOG 10
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    SOCKET sock, msgsock;
    int length = 0;
    struct sockaddr_in server;
    //struct sockaddr tcpaddr;
    char sendbuf[1024] = "";
    char recvbuf[1024];
    int rval = 0, len = 0, err = 0;
    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;
    wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);
    err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
    if (err != 0)
    {
        return -1;
    }
    //sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))< 0)
    {
        perror("opening stream socket");
        exit(1);
    }
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(MYPORT);
    server.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);
    memset(server.sin_zero, 0, sizeof(server.sin_zero));
    rval = bind(sock, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));
    if (rval < 0)
    {
        perror("binding stream socket");
        exit(1);
    }

    length = sizeof(server);
    if (getsockname(sock,(struct sockaddr*)&server,&length) < 0)
    {
        perror("getting sock name");
        exit(1);
    }

    printf("socket port #%d\n", ntohs(server.sin_port));
    listen(sock, BACKLOG);
    len = sizeof(struct sockaddr);
    do
    {
        msgsock = accept(sock, (struct sockaddr*)&server, &len);
        if (msgsock == -1)
        {
            perror("accept");
            continue;
        }
        printf("get connection from client:%s\n ----input exit to disconnect.----\n",inet_ntoa(server.sin_addr));
        printf("Server:");
        fgets(sendbuf, 1024, stdin);
        while (strcmp(sendbuf, "exit") != 0)
        {
            send(msgsock, sendbuf, strlen(sendbuf) + 1, 0);
            recv(msgsock, recvbuf, 1024, 0);
            if (strcmp(recvbuf,"exit") == 0)
            {
                break;
            }
            printf("Client:%s\nServer:", recvbuf);
            fgets(sendbuf, 1024, stdin);
        }
        send(msgsock, "exit", 5, 0);
        closesocket(msgsock);
    } while (true);
    //closesocket(msgsock);
    return 0;
}

可能有些同学兴冲冲地将以上代码复制到了自己的电脑上，然后却沮丧的发现：报！错！了！别着急，我当时学习这部分的时候也遇到了各种各样的问题，不过幸好后来都解决了，不妨就在这里与大家分享一下，让后来人少走一些弯路。
1. 注意winsock2.h和windows.h这两个头文件的包含顺序。其中winsock2.h必须放在windows.h的前面，最好将这两个头文件放在其他头文件的前面，否则就会遇到变量重定义的问题，就像下面这样：

这种问题真是让人十分火大啊……

2.在上述代码中使用了一些微软不建议使用的旧函数，所以也会遇到一些问题，如果使用新函数的话又要重新组织代码结构，十分麻烦，所以只要对项目的属性进行设置就好了，让IDE不进行安全开发周期的检查。具体设置过程如下

将上图中的SDL检查从是改为否即可。

那么在解决了上面问题后，我们就可以编译生成应用程序了。先打开server程序，后打开client程序。

怎么样？对于socket的基本原理是不是清楚了一些？

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服务器类型
通信
accept
tcp
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