linux unix域socket_Socket通信原理
?對TCP/IP、UDP、Socket編程這些詞你不會很陌生吧？隨著網絡技術的發(fā)展，這些詞充斥著我們的耳朵。那么我想問：1.?????????什么是TCP/IP、UDP？2.?????????Socket在哪里呢？3.?????????Socket是什么呢？4.?????????你會使用它們嗎？什么是TCP/IP、UDP？
?????????TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即傳輸控制協(xié)議/網間協(xié)議，是一個工業(yè)標準的協(xié)議集，它是為廣域網(WANs)設計的。?????????UDP(User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)是與TCP相對應的協(xié)議。它是屬于TCP/IP協(xié)議族中的一種。????????這里有一張圖，表明了這些協(xié)議的關系。??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖1
???????TCP/IP協(xié)議族包括運輸層、網絡層、鏈路層。現(xiàn)在你知道TCP/IP與UDP的關系了吧。Socket在哪里呢？???????在圖1中，我們沒有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？還是用圖來說話，一目了然。
圖2
???????原來Socket在這里。Socket是什么呢？???????Socket是應用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把復雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面，對用戶來說，一組簡單的接口就是全部，讓Socket去組織數(shù)據(jù)，以符合指定的協(xié)議。你會使用它們嗎？???????前人已經給我們做了好多的事了，網絡間的通信也就簡單了許多，但畢竟還是有挺多工作要做的。以前聽到Socket編程，覺得它是比較高深的編程知識，但是只要弄清Socket編程的工作原理，神秘的面紗也就揭開了。???????一個生活中的場景。你要打電話給一個朋友，先撥號，朋友聽到電話鈴聲后提起電話，這時你和你的朋友就建立起了連接，就可以講話了。等交流結束，掛斷電話結束此次交談。????生活中的場景就解釋了這工作原理，也許TCP/IP協(xié)議族就是誕生于生活中，這也不一定。
??????
圖3
???????先從服務器端說起。服務器端先初始化Socket，然后與端口綁定(bind)，對端口進行監(jiān)聽(listen)，調用accept阻塞，等待客戶端連接。在這時如果有個客戶端初始化一個Socket，然后連接服務器(connect)，如果連接成功，這時客戶端與服務器端的連接就建立了。客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請求，服務器端接收請求并處理請求，然后把回應數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端讀取數(shù)據(jù)，最后關閉連接，一次交互結束。
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我們深諳信息交流的價值，那網絡中進程之間如何通信，如我們每天打開瀏覽器瀏覽網頁 時，瀏覽器的進程怎么與web服務器通信的？當你用QQ聊天時，QQ進程怎么與服務器或你好友所在的QQ進程通信？這些都得靠socket？那什么是 socket？socket的類型有哪些？還有socket的基本函數(shù)，這些都是本文想介紹的。本文的主要內容如下：
1、網絡中進程之間如何通信？
2、Socket是什么？
3、socket的基本操作
3.1、socket()函數(shù)
3.2、bind()函數(shù)
3.3、listen()、connect()函數(shù)
3.4、accept()函數(shù)
3.5、read()、write()函數(shù)等
3.6、close()函數(shù)
4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解
5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解
6、一個例子
1、網絡中進程之間如何通信？
本地的進程間通信(IPC)有很多種方式，但可以總結為下面4類：
消息傳遞(管道、FIFO、消息隊列)
同步(互斥量、條件變量、讀寫鎖、文件和寫記錄鎖、信號量)
共享內存(匿名的和具名的)
遠程過程調用(Solaris門和Sun RPC)
但這些都不是本文的主題！我們要討論的是網絡中進程之間如何通信？首要解決的問題是如何唯一標識一個進程，否則通信無從談起！在本地可以通過進程PID來唯一標識一個進程，但是在網絡中這是行不通的。其實TCP/IP協(xié)議族已經幫我們解決了這個問題，網絡層的“ip地址”可以唯一標識網絡中的主機，而傳輸層的“協(xié)議+端口”可以唯一標識主機中的應用程序(進程)。這樣利用三元組(ip地址，協(xié)議，端口)就可以標識網絡的進程了，網絡中的進程通信就可以利用這個標志與其它進程進行交互。
使用TCP/IP協(xié)議的應用程序通常采用應用編程接口：UNIX BSD的套接字(socket)和UNIX System V的TLI(已經被淘汰)，來實現(xiàn)網絡進程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應用程序都是采用socket，而現(xiàn)在又是網絡時代，網絡中進程通信是無處不在，這就是我為什么說“一切皆socket”。
2、什么是Socket？
上面我們已經知道網絡中的進程是通過socket來通信的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開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(xiàn)，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數(shù)就是對其進行的操作(讀/寫IO、打開、關閉)，這些函數(shù)我們在后面進行介紹。
socket一詞的起源
在組網領域的首次使用是在1970年2月12日發(fā)布的文獻IETF RFC33中發(fā)現(xiàn)的，撰寫者為Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據(jù)美國計算機歷史博物館的記載，Croker寫道：“命名空間的元素都可稱為套接字接口。一個套接字接口構成一個連接的一端，而一個連接可完全由一對套接字接口規(guī)定。”計算機歷史博物館補充道：“這比BSD的套接字接口定義早了大約12年。”
3、socket的基本操作
既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實現(xiàn)，那么socket就提供了這些操作對應的函數(shù)接口。下面以TCP為例，介紹幾個基本的socket接口函數(shù)。
3.1、socket()函數(shù)
int socket(int domain, int type, int protocol);socket函數(shù)對應于普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個文件描述字，而socket()用于創(chuàng)建一個socket描述符(socket descriptor)，它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣，后續(xù)的操作都有用到它，把它作為參數(shù)，通過它來進行一些讀寫操作。
正如可以給fopen的傳入不同參數(shù)值，以打開不同的文件。創(chuàng)建socket的時候，也可以指定不同的參數(shù)創(chuàng)建不同的socket描述符，socket函數(shù)的三個參數(shù)分別為：
domain：即協(xié)議域，又稱為協(xié)議族(family)。常用的協(xié)議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL(或稱AF_UNIX，Unix域socket)、AF_ROUTE等等。協(xié)議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址(32位的)與端口號(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類型。常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等(socket的類型有哪些？)。
protocol：故名思意，就是指定協(xié)議。常用的協(xié)議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協(xié)議、UDP傳輸協(xié)議、STCP傳輸協(xié)議、TIPC傳輸協(xié)議(這個協(xié)議我將會單獨開篇討論！)。
注意：并不是上面的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類型對應的默認協(xié)議。
當我們調用socket創(chuàng)建一個socket時，返回的socket描述字它存在于協(xié)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，就必須調用bind()函數(shù)，否則就當調用connect()、listen()時系統(tǒng)會自動隨機分配一個端口。
3.2、bind()函數(shù)
正如上面所說bind()函數(shù)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地址和端口號組合賦給socket。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);函數(shù)的三個參數(shù)分別為：
sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數(shù)創(chuàng)建了，唯一標識一個socket。bind()函數(shù)就是將給這個描述字綁定一個名字。
addr：一個const?struct?sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協(xié)議地址。這個地址結構根據(jù)地址創(chuàng)建socket時的地址協(xié)議族的不同而不同，如ipv4對應的是：
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family;
in_port_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;
};
struct in_addr {
uint32_t s_addr;
};ipv6對應的是：
struct sockaddr_in6 {
sa_family_t sin6_family;
in_port_t sin6_port;
uint32_t sin6_flowinfo;
struct in6_addr sin6_addr;
uint32_t sin6_scope_id;
};
struct in6_addr {
unsigned char s6_addr[16];
};Unix域對應的是：
#define UNIX_PATH_MAX 108
struct sockaddr_un {
sa_family_t sun_family;
char sun_path[UNIX_PATH_MAX];
};addrlen：對應的是地址的長度。
通常服務器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的地址(如ip地址+端口號)，用于提供服務，客戶就可以通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統(tǒng)自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統(tǒng)隨機生成一個。
網絡字節(jié)序與主機字節(jié)序
主機字節(jié)序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節(jié)序類型，這些字節(jié)序是指整數(shù)在內存中保存的順序，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就是低位字節(jié)排放在內存的低地址端，高位字節(jié)排放在內存的高地址端。
b) Big-Endian就是高位字節(jié)排放在內存的低地址端，低位字節(jié)排放在內存的高地址端。
網絡字節(jié)序：4個字節(jié)的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節(jié)序。由于TCP/IP首部中所有的二進制整數(shù)在網絡中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網絡字節(jié)序。字節(jié)序，顧名思義字節(jié)的順序，就是大于一個字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內存中的存放順序，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)沒有順序的問題了。
所以： 在將一個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節(jié)序轉換成為網絡字節(jié)序，而不要假定主機字節(jié)序跟網絡字節(jié)序一樣使用的是Big-Endian。由于 這個問題曾引發(fā)過血案！公司項目代碼中由于存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機字節(jié)序不要做任何假定，務必將其轉化為網絡字節(jié)序再 賦給socket。
3.3、listen()、connect()函數(shù)
如果作為一個服務器，在調用socket()、bind()之后就會調用listen()來監(jiān)聽這個socket，如果客戶端這時調用connect()發(fā)出連接請求，服務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函數(shù)的第一個參數(shù)即為要監(jiān)聽的socket描述字，第二個參數(shù)為相應socket可以排隊的最大連接個數(shù)。socket()函數(shù)創(chuàng)建的socket默認是一個主動類型的，listen函數(shù)將socket變?yōu)楸粍宇愋偷?#xff0c;等待客戶的連接請求。
connect函數(shù)的第一個參數(shù)即為客戶端的socket描述字，第二參數(shù)為服務器的socket地址，第三個參數(shù)為socket地址的長度。客戶端通過調用connect函數(shù)來建立與TCP服務器的連接。
3.4、accept()函數(shù)
TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之后，就會監(jiān)聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之后就想TCP服務器發(fā)送了一個連接請求。TCP服務器監(jiān)聽到這個請求之后，就會調用accept()函數(shù)取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網絡I/O操作了，即類同于普通文件的讀寫I/O操作。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);accept函數(shù)的第一個參數(shù)為服務器的socket描述字，第二個參數(shù)為指向struct?sockaddr *的指針，用于返回客戶端的協(xié)議地址，第三個參數(shù)為協(xié)議地址的長度。如果accpet成功，那么其返回值是由內核自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連接。
注意：accept的第一個參數(shù)為服務器的socket描述字，是服務器開始調用socket()函數(shù)生成的，稱為監(jiān)聽socket描述字；而accept函數(shù)返回的是已連接的socket描述字。一個服務器通常通常僅僅只創(chuàng)建一個監(jiān)聽socket描述字，它在該服務器的生命周期內一直存在。內核為每個由服務器進程接受的客戶連接創(chuàng)建了一個已連接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描述字就被關閉。
3.5、read()、write()等函數(shù)
萬事具備只欠東風，至此服務器與客戶已經建立好連接了。可以調用網絡I/O進行讀寫操作了，即實現(xiàn)了網咯中不同進程之間的通信！網絡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()函數(shù)，這兩個函數(shù)是最通用的I/O函數(shù)，實際上可以把上面的其它函數(shù)都替換成這兩個函數(shù)。它們的聲明如下：
#includessize_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函數(shù)是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的字節(jié)數(shù)，如果返回的值是0表示已經讀到文件的結束了，小于0表示出現(xiàn)了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網絡連接出了問題。
write函數(shù)將buf中的nbytes字節(jié)內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節(jié) 數(shù)。失敗時返回-1，并設置errno變量。在網絡程序中，當我們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大于0，表示寫了部分或者是 全部的數(shù)據(jù)。2)返回的值小于0，此時出現(xiàn)了錯誤。我們要根據(jù)錯誤類型來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現(xiàn)了中斷錯誤。如果為EPIPE表示 網絡連接出現(xiàn)了問題(對方已經關閉了連接)。
其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數(shù)了，具體參見man文檔或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。
3.6、close()函數(shù)
在服務器與客戶端建立連接之后，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，好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。
#includeint close(int fd);
close一個TCP socket的缺省行為時把該socket標記為以關閉，然后立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個參數(shù)。
注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數(shù)-1，只有當引用計數(shù)為0的時候，才會觸發(fā)TCP客戶端向服務器發(fā)送終止連接請求。
4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解
我們知道tcp建立連接要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下：
客戶端向服務器發(fā)送一個SYN J
服務器向客戶端響應一個SYN K，并對SYN J進行確認ACK J+1
客戶端再想服務器發(fā)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(fā)生在socket的那幾個函數(shù)中呢？請看下圖：
圖1、socket中發(fā)送的TCP三次握手
從圖中可以看出，當客戶端調用connect時，觸發(fā)了連接請求，向服務器發(fā)送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態(tài)；服務器監(jiān)聽到連接請求，即收到SYN J包，調用accept函數(shù)接收請求向客戶端發(fā)送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態(tài)；客戶端收到服務器的SYN K ，ACK J+1之后，這時connect返回，并對SYN K進行確認；服務器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，連接建立。
總結：客戶端的connect在三次握手的第二個次返回，而服務器端的accept在三次握手的第三次返回。
5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解
上面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程，及其涉及的socket函數(shù)。現(xiàn)在我們介紹socket中的四次握手釋放連接的過程，請看下圖：
圖2、socket中發(fā)送的TCP四次握手
圖示過程如下：
某個應用進程首先調用close主動關閉連接，這時TCP發(fā)送一個FIN M；
另一端接收到FIN M之后，執(zhí)行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也作為文件結束符傳遞給應用進程，因為FIN的接收意味著應用進程在相應的連接上再也接收不到額外數(shù)據(jù)；
一段時間之后，接收到文件結束符的應用進程調用close關閉它的socket。這導致它的TCP也發(fā)送一個FIN N；
接收到這個FIN的源發(fā)送端TCP對它進行確認。
這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的linux unix域socket_Socket通信原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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