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计算机通信之谜,带你彻底理解socket网络编程（一）

2022-10-11 21:53:38 125 0

出现一项技术，首先我们弄懂一下，为什么要出现。那么为什么要出现 socket 这玩意呢？可以很简单的用一句话来概括：

1、socket诞生的原因

两台装有操作系统的机子要想实现通信，第一要联网，第二通信双方一定制定某种规则。我们平时最为常见的http请求也是一种通信协议，只不过它是属于应用层的。http协议将要发送的数据封装后，传到下面一层处理，这下一层就是传输层，也是我们今天要说的重点。

应用层的数据封装之后要发到下面的传输层，那么传输层就需要对外提供接口，让应用层可以调用传输层的数据，这个就是socket。传输层就是通过socket来对外提供服务的， 毫不夸张的说，socket是计算机通信的基石 ，任何两台计算机要想实现通信，必须要有socket。传输层是在操作系统层面，socket的实现细节是操作系统已经封装好的了。所以聪明的你可能已经知道了，不同的操作系统实现的socket各不相同，对外提供的函数可能也有点不同。我们这里讨论的都是Linux系统。

2、服务端和客户端的代码实现

其他的先不说，我们先给出服务端和客户端的代码，然后通过代码来分析两台主机通信之间的过程。这个代码已经在Linux上运行过了，完全可以使用，大家需要的话可以直接拿去用。

2.1、服务端代码

 # include  
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
#define BUF_SIZE 512
#define ERR_EXIT(m)         \
	do                      \
	{                       \
		perror(m);          \
		exit(EXIT_FAILURE); \
	} while (0)
 
int main()
{
	//创建套接字
	int m_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (m_sockfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("create socket fail");
	}
 
	//初始化socket元素
	struct sockaddr_in server_addr;
	int server_len =  sizeof (server_addr);
	memset(&server_addr, 0, server_len);
 
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	//server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); //用这个写法也可以
	server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	server_addr.sin_port = htons(39002);
 
	//绑定 文件描述符 和服务器的ip和 端口号 
	int m_bindfd = bind(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, server_len);
	if (m_bindfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("bind ip and port fail");
	}
 
	//进入监听状态，等待用户发起请求
	int m_listenfd = listen(m_sockfd, 20);
	if (m_listenfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("listen client fail");
	}
 
	//定义客户端的套接字，这里返回一个新的套接字，后面通信时，就用这个m_connfd进行通信
	struct sockaddr_in client_addr;
	socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
	int m_connfd =  accept (m_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
 
	//接收客户端数据，并相应
	char buffer[BUF_SIZE];
	 recv (m_connfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
	printf("server recv:%s\n", buffer);
	strcat(buffer, "+ACK");
	send(m_connfd, buffer, sizeof(buffer), MSG_NOSIGNAL);
 
	//关闭套接字
	 close (m_connfd);
	close(m_sockfd);
 
	return 0;
}

2.2、客户端代码

 #include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
#define BUF_SIZE 512
#define ERR_EXIT(m)         \
	do                      \
	{                       \
		perror(m);          \
		exit(EXIT_FAILURE); \
	} while (0)
 
int main()
{
	//创建套接字
	int m_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (m_sockfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("create socket fail");
	}
 
	//服务器的ip为本地，端口号
	struct sockaddr_in server_addr;
	memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("81.68.140.74");
	server_addr.sin_port = htons(39002);
 
	//向服务器发送连接请求
	int m_ connect fd = connect(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
	if (m_connectfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("connect server fail");
	}
	//发送并接收数据
	char buffer[BUF_SIZE];
	printf("client send:");
	scanf("%s", buffer);
	send(m_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
	recv(m_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
	printf("client recv:%s\n", buffer);
 
	//断开连接
	close(m_sockfd);
 
	return 0;
}

以上就是服务端和客户端的代码，这个代码本身没问题，但是有点小缺点，最后我们会提到。接着笔者分析一下上面的所有socket相关函数，让大家可以更加深刻的了解socket 网络编程。

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面介绍几个基本的socket接口函数。

3.1、socket()函数

 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与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：故名思意，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（后面两种在网络编程当中很少见到，大家不需要深究）

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用 socket 创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它复制一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

3.2、bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

 int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, int 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。
addrlen：对应的是地址的长度。

下面是一个bind()函数的例子，希望大家可以理解这个用法

     struct sockaddr_in server_addr;
	int server_len = sizeof(server_addr);
	memset(&server_addr, 0, server_len);
 
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	//server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); //用这个写法也可以
	server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	server_addr.sin_port = htons(39002);
 
	//绑定文件描述符和服务器的ip和端口号
	int m_bindfd = bind(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, server_len);

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，有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。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，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。

3.3、listen()

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。

 int listen(int sockfd, int backlog);

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，就是上面创建的那个socket()函数的返回值。第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数，可以理解为有多少个客户端连接。

注意：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。listen()如果返回 –1 ，那么说明在listen()的执行过程中发生了错误。

3.4、connect()函数

客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接，connect()函数结构如下

 int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，就是上面客户端创建的socket()函数的返回值，一般都是大于0的。第二参数为服务器的socket地址，是一个存储远程计算机的IP地址和端口信息的结构，一般为服务器的ip与port。第三个参数为socket地址的长度，这里addrlen=sizeof(addr)。

注意：这里的远程服务端的端口一定要设置好，千万不要设置了被服务器防火墙拦截的端口。之前我就是一直无法连接，后面查询才知道，我设置的端口被服务器防火墙给拦截了。切记切记！！！

3.4、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()函数去接收请求，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，要注意这个长度的类型是socklen_t，不可写成int。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。

 //定义客户端的套接字，这里返回一个新的套接字，后面通信时，就用这个m_connfd进行通信
	struct sockaddr_in client_addr;
	socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
	int m_connfd = accept(m_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);

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。

3.5、read()、write()等函数

到了这里，服务器与客户已经建立好连接了。建立连接之后，我们就是发送通过客户端发送数据给服务端，当然也可以服务端发过来。因为TCP连接是全双工的。用以下函数可以实现了网网络中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：

 read()/write()recv()/send()readv()/writev()recvmsg()/sendmsg()recvfrom()/sendto()

笔者这里经常用的是read()/write()和recv()/send这两组函数，当然其他的也是可以的。具体有啥区别，我也没有太多的去深究。有兴趣的同学可以去了解了解。

 #include 
 
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
 
#include 
#include 
 
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两种可能。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)。

3.6、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。

 #include int close(int fd);

该函数的参数就是上面创建的socket的返回值，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。至此，socket就会关闭，连接断掉，不能再进行通信了。我们熟知的http协议，每次请求之后都会断开，就是调用了这个close()函数的原因。

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。

4、代码的缺陷

以上服务端和客户端的代码是socket通信中最基础的，就是说要想实现两台计算机通信，以上函数都是必须的。但是如果大家有去运行以上代码的话就会发现，启动服务端后，在启动客户端，这时候只是运行一次，客户端和服务端就都close()退出了，也就是说长连接断掉了，这显然不符合实际的使用情况。我们需要的是源源不断的可以发送数据，那么以上代码如何改呢？大家可以思考思考。