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socket学习

2019-05-24  本文已影响0人  小石头呢

socket学习网站：
http://c.biancheng.net/view/2124.html

一.什么是socket

socket 的原意是“插座”，在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。

socket 的典型应用就是 Web 服务器和浏览器：浏览器获取用户输入的 URL，向服务器发起请求，服务器分析接收到的 URL，将对应的网页内容返回给浏览器，浏览器再经过解析和渲染，就将文字、图片、视频等元素呈现给用户。

二.套接字的类型

1.流格式套接字（SOCK_STREAM）

流格式套接字（Stream Sockets）也叫“面向连接的套接字”，在代码中使用 SOCK_STREAM 表示。

SOCK_STREAM 是一种可靠的、双向的通信数据流，数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送。

特征：
数据在传输过程中不会消失；
数据是按照顺序传输的；
数据的发送和接收不是同步的（有的教程也称“不存在数据边界”）

使用了TCP协议，所以流格式套接字可以达到高质量的数据传输

2.数据报格式套接字（SOCK_DGRAM）

数据报格式套接字（Datagram Sockets）也叫“无连接的套接字”，在代码中使用 SOCK_DGRAM 表示。

数据报套接字是一种不可靠的、不按顺序传递的、以追求速度为目的的套接字。

特征：
强调快速传输而非传输顺序；
传输的数据可能丢失也可能损毁；
限制每次传输的数据大小；
数据的发送和接收是同步的（有的教程也称“存在数据边界”）。

使用了UDP协议，所以传输速率很快

三.OSI 网络7层模型

1.OSI模型 只是存在于概念和理论上的一种模型，它的缺点是分层太多，增加了网络工作的复杂性，所以没有大规模应用

2.TCP/IP 模型 对OSI模型 进行了简化，合并了一些层，最终只保留了 4 层，从下到上分别是接口层、网络层、传输层和应用层

3.“TCP/IP”，TCP 用来确保数据的正确性，IP（Internet Protocol，网络协议）用来控制数据如何从源头到达目的地，也就是常说的“路由”

4.这个网络模型是用来进行数据封装的。

我们平常使用的程序（或者说软件）一般都是通过应用层来访问网络的，程序产生的数据会一层一层地往下传输，直到最后的网络接口层，就通过网线发送到互联网上去了。数据每往下走一层，就会被这一层的协议增加一层包装，等到发送到互联网上时，已经比原始数据多了四层包装。整个数据封装的过程就像俄罗斯套娃。

当另一台计算机接收到数据包时，会从网络接口层再一层一层往上传输，每传输一层就拆开一层包装，直到最后的应用层，就得到了最原始的数据，这才是程序要使用的数据。

给数据加包装的过程，实际上就是在数据的头部增加一个标志（一个数据块），表示数据经过了这一层，我已经处理过了。给数据拆包装的过程正好相反，就是去掉数据头部的标志，让它逐渐现出原形。

5.我们所说的 socket 编程，是站在传输层的基础上，所以可以使用 TCP/UDP 协议，但是不能干「访问网页」这样的事情，因为访问网页所需要的 http 协议位于应用层。

四.TCP/IP协议族

1.协议（Protocol）就是网络通信过程中的约定或者合同，通信的双方必须都遵守才能正常收发数据。协议有很多种，例如 TCP、UDP、IP 等，通信的双方必须使用同一协议才能通信。协议是一种规范，由计算机组织制定，规定了很多细节，例如，如何建立连接，如何相互识别等。

2.TCP/IP 模型包含了 TCP、IP、UDP、Telnet、FTP、SMTP 等上百个互为关联的协议，其中 TCP 和 IP 是最常用的两种底层协议，所以把它们统称为“TCP/IP 协议族”。也就是说，“TCP/IP模型”中所涉及到的协议称为“TCP/IP协议族”。

TCP 和 UDP 协议的层级关系

五.IP，MAC，端口号

1.IP地址

2.MAC地址

3.端口号

六.socket() 函数创建套接字

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

1.af参数-IP 地址类型

2.type参数- 数据传输方式/套接字类型

3.protocol参数-传输协议

4.第三个参数的意义

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); 

int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);  

//创建TCP套接字
nt tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  

//创建UDP套接字
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

七.bind() 函数-将套接字与特定的 IP 地址和端口绑定

int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);  

//创建套接字
int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充
serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
//serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//绑定IP地址为任意
serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口

//将套接字和IP、端口绑定
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

1.为什么bind() 第二个参数的类型为 sockaddr，而代码中却使用 sockaddr_in，然后再强制转换为 sockaddr

//sockaddr 结构体
struct sockaddr{
    sa_family_t  sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址类型
    char         sa_data[14];  //IP地址和端口号
};

//sockaddr_in结构体
struct sockaddr_in{
    sa_family_t     sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址类型
    uint16_t        sin_port;     //16位的端口号
    struct in_addr  sin_addr;     //32位IP地址
    char            sin_zero[8];  //不使用，一般用0填充
};

//sockaddr_in6结构体
struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t sin6_family;  //(2)地址类型，取值为AF_INET6
    in_port_t sin6_port;  //(2)16位端口号
    uint32_t sin6_flowinfo;  //(4)IPv6流信息
    struct in6_addr sin6_addr;  //(4)具体的IPv6地址
    uint32_t sin6_scope_id;  //(4)接口范围ID
};

sockaddr 和 sockaddr_in 的长度相同，都是16字节，只是将IP地址和端口号合并到一起，用一个成员 sa_data 表示

想给 sa_data 赋值，必须同时指明IP地址和端口号，例如”127.0.0.1:80“，遗憾的是，没有相关函数将这个字符串转换成需要的形式，也就很难给 sockaddr 类型的变量赋值，所以使用 sockaddr_in 来代替

这两个结构体的长度相同，强制转换类型时不会丢失字节，也没有多余的字节。

可以认为，sockaddr 是一种通用的结构体，可以用来保存多种类型的IP地址和端口号，而 sockaddr_in 是专门用来保存 IPv4 地址的结构体。另外还有 sockaddr_in6，用来保存 IPv6 地址

2.sockaddr_in结构体参数解释

struct sockaddr_in{
    sa_family_t     sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址类型
    uint16_t        sin_port;     //16位的端口号
    struct in_addr  sin_addr;     //32位IP地址
    char            sin_zero[8];  //不使用，一般用0填充
};

sin_family： 和 socket() 的第一个参数的含义相同，取值也要保持一致。

sin_prot ：端口号。uint16_t 的长度为两个字节，理论上端口号的取值范围为 0~65536，但 0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21，所以我们的程序要尽量在 1024~65536 之间分配端口号。端口号需要用 htons() 函数转换。

sin_addr ： struct in_addr 结构体类型的变量

sin_zero[8] ：是多余的8个字节，没有用，一般使用 memset() 函数填充为 0。上面的代码中，先用 memset() 将结构体的全部字节填充为 0，再给前3个成员赋值，剩下的 sin_zero 自然就是 0 了。

3.in_addr结构体的参数解释

struct in_addr{
    in_addr_t  s_addr;  //32位的IP地址
};

in_addr_t 在头文件 <netinet/in.h> 中定义，等价于 unsigned long，长度为4个字节。也就是说，s_addr 是一个整数，而IP地址是一个字符串，所以需要 inet_addr() 函数进行转换

八.connect() 函数-客户端程序发起连接

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

各个参数和bind()函数相同

九.listen()，accept()函数-服务端程序被动监听，响应服务端请求

对于服务器端程序，使用 bind() 绑定套接字后，还需要使用 listen() 函数让套接字进入被动监听状态，再调用 accept() 函数，就可以随时响应客户端的请求了。

1.listen()函数-让套接字进入被动监听状态

int listen(int sock, int backlog);

2.accept() 函数-通过 accept() 函数来接收客户端请求

int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

十.write() ， read()函数-发送和接受数据

两台计算机之间的通信相当于两个套接字之间的通信，在服务器端用 write() 向套接字写入数据，客户端就能收到，然后再使用 read() 从套接字中读取出来，就完成了一次通信。

ssize_t：size_t 是通过 typedef 声明的 unsigned int 类型；ssize_t 在 "size_t" 前面加了一个"s"，代表 signed，即 ssize_t 是通过 typedef 声明的 signed int 类型。

1.write()函数(send)

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);

2.read()函数(recv)

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

十一.TCP三次握手建立连接

TCP建立连接时要传输三个数据包，俗称三次握手（Three-way Handshaking）。可以形象的比喻为下面的对话：
[Shake 1] 套接字A：“你好，套接字B，我这里有数据要传送给你，建立连接吧。”
[Shake 2] 套接字B：“好的，我这边已准备就绪。”
[Shake 3] 套接字A：“谢谢你受理我的请求。”

十二.TCP四次握手断开连接

建立连接需要三次握手，断开连接需要四次握手，可以形象的比喻为下面的对话：
[Shake 1] 套接字A：“任务处理完毕，我希望断开连接。”
[Shake 2] 套接字B：“哦，是吗？请稍等，我准备一下。”
等待片刻后……
[Shake 3] 套接字B：“我准备好了，可以断开连接了。”
[Shake 4] 套接字A：“好的，谢谢合作。”

十三.类型转换

1.htonl()

简述：
　　将主机的无符号长整形数转换成网络字节顺序。
　　#include <winsock.h>
　　u_long PASCAL FAR htonl( u_long hostlong);
　　hostlong：主机字节顺序表达的32位数。
　　注释：
　　本函数将一个32位数从主机字节顺序转换成网络字节顺序。
　　返回值：
　　htonl()返回一个网络字节顺序的值。
　　参见：
　　htons(), ntohl(), ntohs().

2.htons()

简述：
　　将主机的无符号短整形数转换成网络字节顺序。
　　#include <winsock.h>
　　u_short PASCAL FAR htons( u_short hostshort);
　　hostshort：主机字节顺序表达的16位数。
　　注释：
　　本函数将一个16位数从主机字节顺序转换成网络字节顺序。
　　返回值：
　　htons()返回一个网络字节顺序的值。
　　参见：
　　htonl(), ntohl(), ntohs().
　　---------------------------------------------
　　简单地说,htons()就是将一个数的高低位互换(如:12 34 --> 34 12)
VB表示:
　　MsgBox Hex(htons(&H1234))
　　显示值为 3412

3.inet_addr()

简述：将一个点间隔地址转换成一个in_addr。
　　#include <winsock.h>
　　unsigned long PASCAL FAR inet_addr( const struct FAR* cp);
　　cp：一个以Internet标准“.”间隔的字符串。
　　注释：
　　本函数解释cp参数中的字符串，这个字符串用Internet的“.”间隔格式表示一个数字的Internet地址。返回值可用作Internet地址。所有Internet地址以网络字节顺序返回(字节从左到右排列)。
　　Internet地址用“.”间隔的地址可有下列几种表达方式：
　　a.b.c.d，a.b.c，a.b，a
　　当四个部分都有定值时，每个都解释成一个字节数据，从左到右组成Internet四字节地址。请注意，当一个Internet地址在Intel机器上表示成一个32位整型数时，则上述的字节为“d.c.b.a”。这是因为Intel处理器的字节是从右向左排列的。
　　请注意：只有Berkeley支持下述表达法，Internet其余各处均不支持。考虑到与软件的兼容性，应按规定进行使用。
　　对一个三部分地址，最后一部分解释成16位数据并作为网络地址的最右两个字节。这样，三部分地址便很容易表示B组网络地址，如“128.net.host”.
　　对一个两部分地址，最后一部分解释成24位数据并作为网络地址的最右三个字节，这样，两部分地址便很容易表示C组网络地址，如“net.host”。
　　对仅有一个部分的地址，则将它的值直接存入网络地址不作任何字节的重组。
　　返回值：
　　若无错误发生，inet_addr()返回一个无符号长整型数，其中以适当字节顺序存放Internet地址。如果传入的字符串不是一个合法的Internet地址，如“a.b.c.d”地址中任一项超过255，那么inet_addr()返回INADDR_NONE。
　　参见：
　　inet_ntoa().
inet_addr()函数的实现
输入是点分的IP地址格式（如A.B.C.D)的字符串，从该字符串中提取出每一部分，转换为ULONG,假设得到4个ULONG型的A,B,C,D,
ulAddress（ULONG型）是转换后的结果，
ulAddress = D<<24 + C<<16 + B<<8 + A(网络字节序），即inet_addr(const char *)的返回结果
另外，我们也可以得到把该IP转换为主机序的结果，转换方法一样
A<<24 + B<<16 + C<<8 + D

4.inet_ntoa()

简述：
　　将网络地址转换成“.”点隔的字符串格式。
　　#include <winsock.h>
　　char FAR* PASCAL FAR inet_ntoa( struct in_addr in);
　　in：一个表示Internet主机地址的结构。
　　注释：
　　本函数将一个用in参数所表示的Internet地址结构转换成以“.” 间隔的诸如“a.b.c.d”的字符串形式。请注意inet_ntoa()返回的字符串存放在WINDOWS套接口实现所分配的内存中。应用程序不应假设该内存是如何分配的。在同一个线程的下一个WINDOWS套接口调用前，数据将保证是有效。
　　返回值：
　　若无错误发生，inet_ntoa()返回一个字符指针。否则的话，返回NULL。其中的数据应在下一个WINDOWS套接口调用前复制出来。
　　测试代码如下
　　include <stdio.h>
　　#include <sys/socket.h>
　　#include <netinet/in.h>
　　#include <arpa/inet.h>
　　#include <string.h>
　　int main(int aargc, char* argv[])
　　{
　　struct in_addr addr1,addr2;
　　ulong l1,l2;
　　l1= inet_addr("192.168.0.74");
　　l2 = inet_addr("211.100.21.179");
　　memcpy(&addr1, &l1, 4);
　　memcpy(&addr2, &l2, 4);
　　printf("%s : %s\n", inet_ntoa(addr1), inet_ntoa(addr2)); //注意这一句的运行结果
　　printf("%s\n", inet_ntoa(addr1));
　　printf("%s\n", inet_ntoa(addr2));
　　return 0;
　　}
　　实际运行结果如下：
　　192.168.0.74 : 192.168.0.74 //从这里可以看出,printf里的inet_ntoa只运行了一次。
　　192.168.0.74
　　211.100.21.179
　　inet_ntoa返回一个char *,而这个char *的空间是在inet_ntoa里面静态分配的，所以inet_ntoa后面的调用会覆盖上一次的调用。第一句printf的结果只能说明在printf里面的可变参数的求值是从右到左的，仅此而已。

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