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Socket(TCP/UDP)网络通信常用接口

Socket核心定义:

  Socket是用来让不同电脑之间,不同进程之间互相通讯的一套接口;是在应用层和传输层之间的一个抽象层,它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

  Socket起源于UNIX,在Unix一切皆文件哲学的思想下,Socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现,服务器和客户端各自维护一个"文件",在建立连接打开后,可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容,通讯结束时关闭文件。

 

Socket支持TCP和UDP两种协议:

TCP:对应流式socket,面向连接,即时刻保持连接,数据以流形式传输。

UDP:对应数据报式socket,无连接,数据中途可能丢失,但速度更快。

 

常用接口:

socket():创建socket

bind():绑定socket到本地地址和端口,通常由服务端调用

listen():TCP专用,开启监听模式

accept():TCP专用,服务器等待客户端连接,一般是阻塞态

connect():TCP专用,客户端主动连接服务器

send():TCP专用,发送数据

recv():TCP专用,接收数据

sendto():UDP专用,发送数据到指定的IP地址和端口

recvfrom():UDP专用,接收数据,返回数据远端的IP地址和端口

closesocket():关闭socket

 

2.1 socket()

原型:int socket (int domain, int type, int protocol)

功能描述:初始化创建socket对象,通常是第一个调用的socket函数。 成功时,返回非负数的socket描述符;失败是返回-1。socket描述符是一个指向内部数据结构的指针,它指向描述符表入口。调用socket()函数时,socket执行体将建立一个socket,实际上"建立一个socket"意味着为一个socket数据结构分配存储空间。socket执行体为你管理描述符表。

参数解释:

domain -- 指明使用的协议族。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。需要记住127.0.0.1,它是一个特殊IP地址,表示本机地址

type -- 指明socket类型,有3种:

                                                 SOCK_STREAM -- TCP类型,保证数据顺序及可靠性;

                                                 SOCK_DGRAM --  UDP类型,不保证数据接收的顺序,非可靠连接;

                                                 SOCK_RAW -- 原始类型,允许对底层协议如IP或ICMP进行直接访问,不太常用。

protocol -- 通常赋值"0",由系统自动选择。

2.2 bind()

原型:int bind(int sockfd, const struct sockaddr* myaddr, socklen_t addrlen)

功能描述:将创建的socket绑定到指定的IP地址和端口上,通常是第二个调用的socket接口。返回值:0 -- 成功,-1 -- 出错。当socket函数返回一个描述符时,只是存在于其协议族的空间中,并没有分配一个具体的协议地址(这里指IPv4/IPv6和端口号的组合),bind函数可以将一组固定的地址绑定到sockfd上。

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的协议地址,用于提供服务,客户就可以通过它来接连服务器;而客户端可以指定IP或端口也可以都不指定,未分配则系统自动分配。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。

注意:

(1) 如果有多个可用的连接(多个IP),内核会根据优先级选择一个IP作为源IP使用。

(2) 如果socket使用bind绑定到特定的IP和port,则无论是TCP还是UDP,都会从指定的IP和port发送数据。

参数解释:

sockfd -- socket()函数返回的描述符;

myaddr -- 指明要绑定的本地IP和端口号,使用网络字节序,即大端模式(详见3.1)。

addrlen -- 常被设置为sizeof(struct sockaddr)。

可以利用下边的赋值语句,自动绑定本地IP地址和随机端口:

my_addr.sin_port = 0;    /* 系统随机选择一个未被使用的端口号 */ 
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;   /* 填入本机IP地址 */ 

另外要注意的是,当调用函数时,一般不要将端口号置为小于1024的值,因为1~1024是保留端口号,你可以使用大于1024中任何一个没有被占用的端口号。

2.3 listen()

原型:int listen(int sockfd, int backlog)

功能描述:listen()函数仅被TCP类型的服务器程序调用,实现监听服务,所谓被动监听,是指当没有客户端请求时,套接字处于“睡眠”状态,只有当接收到客户端请求时,套接字才会被“唤醒”来响应请求。

请求队列
当套接字正在处理客户端请求时,如果有新的请求进来,套接字是没法处理的,只能把它放进缓冲区,待当前请求处理完毕后,再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来,它们就按照先后顺序在缓冲区中排队,直到缓冲区满。这个缓冲区,就称为请求队列(Request Queue)。

缓冲区的长度(能存放多少个客户端请求)可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定,但究竟为多少并没有什么标准,可以根据你的需求来定,并发量小的话可以是10或者20。

当请求队列满时,就不再接收新的请求,对于 Linux,客户端会收到 ECONNREFUSED 错误

注意:listen() 只是让套接字处于监听状态,并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。当套接字处于监听状态时,可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。

listen()成功时返回0,错误时返回-1。

参数解释:

sockfd -- socket()函数返回的描述符;

backlog -- 指定内核为此套接字维护的最大连接个数,包括“未完成连接队列--未完成3次握手”、“已完成连接队列--已完成3次握手,建立连接”。大多数系统缺省值为20。

2.4 accept()

原型: int accept (int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)

功能描述:accept()函数仅被TCP类型的服务器程序调用,从已完成连接队列返回下一个建立成功的连接,如果已完成连接队列为空,线程进入阻塞态睡眠状态。成功时返回套接字描述符,错误时返回-1。

如果accpet()执行成功,返回由内核自动生成的一个全新socket描述符,用它引用与客户端的TCP连接。通常我们把accept()第一个参数成为监听套接字(listening socket),把accept()功能返回值成为已连接套接字(connected socket)。一个服务器通常只有1个监听套接字,监听客户端的连接请求;服务器内核为每一个客户端的TCP连接维护1个已连接套接字,用它实现数据双向通信。

最后需要说明的是:listen() 只是让套接字进入监听状态,并没有真正接收客户端请求,listen() 后面的代码会继续执行,直到遇到 accept()。accept() 会阻塞程序执行(后面代码不能被执行),直到有新的请求到来。

参数解释:

sockfd -- socket()函数返回的描述符;

addr -- 输出一个的sockaddr_in变量地址,该变量用来存放发起连接请求的客户端的协议地址;

addrten -- 作为输入时指明缓冲器的长度,作为输出时指明addr的实际长度。

2.5 connetct()

原型: int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen)

功能描述:connect()通常由TCP类型客户端调用,用来与服务器建立一个TCP连接,实际是发起3次握手过程,连接成功返回0,连接失败返回1。

注意:

(1) 可以在UDP连接使用使用connect(),作用是在UDP套接字中记住目的地址和目的端口。
(2) UDP套接字使用connect后,如果数据报不是connect中指定的地址和端口,将被丢弃。没有调用connect的UDP套接字,将接收所有到达这个端口的UDP数据报,而不区分源端口和地址。

参数解释:

sockfd -- 本地客户端额socket描述符;

serv_addr -- 服务器协议地址;

addrlen -- 地址缓冲区的长度。

2.6 send()

原型:int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags)

功能描述:TCP类型的数据发送。

每个TCP套接口都有一个发送缓冲区,它的大小可以用SO_SNDBUF这个选项来改变。调用send函数的过程,实际是内核将用户数据拷贝至TCP套接口的发送缓冲区的过程:并不立即向网络中传输数据,而是先将数据写入缓冲区中,再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区,函数就可以成功返回,不管它们有没有到达目标机器,也不管它们何时被发送到网络,这些都是TCP协议负责的事情。

TCP协议独立于 write()/send() 函数,数据有可能刚被写入缓冲区就发送到网络,也可能在缓冲区中不断积压,多次写入的数据被一次性发送到网络,这取决于当时的网络情况、当前线程是否空闲等诸多因素,不由程序员控制。

若len大于发送缓冲区大小,则返回-1;否则,查看缓冲区剩余空间是否容纳得下要发送的len长度,若不够,则拷贝一部分,并返回拷贝长度(指的是非阻塞send,若为阻塞send,则一定等待所有数据拷贝至缓冲区才返回,因此阻塞send返回值必定与len相等);若缓冲区满,则等待发送,有剩余空间后拷贝至缓冲区;若在拷贝过程出现错误,则返回-1。关于错误的原因,查看errno的值。

如果send在等待协议发送数据时出现网络断开的情况,则会返回-1。注意:send成功返回并不代表对方已接收到数据,如果后续的协议传输过程中出现网络错误,下一个send便会返回-1发送错误。TCP给对方的数据必须在对方给予确认时,方可删除发送缓冲区的数据。否则,会一直缓存在缓冲区直至发送成功(TCP可靠数据传输决定的)。

参数解释:

sockfd -- 发送端套接字描述符(非监听描述符)。

msg -- 待发送数据的缓冲区。

len -- 待发送数据的字节长度。

flags -- 一般情况下置为0。

2.7 recv()

原型:int recv(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags)

功能描述:TCP类型的数据接收。

recv()从接收缓冲区拷贝数据。成功时,返回拷贝的字节数,失败返回-1。阻塞模式下,recv/recvfrom将会阻塞到缓冲区里至少有一个字节(TCP)/至少有一个完整的UDP数据报才返回,没有数据时处于休眠状态。若非阻塞,则立即返回,有数据则返回拷贝的数据大小,否则返回错误-1。

参数解释:

sockefd -- 接收端套接字描述符(非监听描述符);

buf -- 接收缓冲区的基地址;

len -- 以字节计算的接收缓冲区长度;

flags -- 一般情况下置为0。

2.8 sendto()

原型:int sendto(int sockfd, const void *msg, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *dst_addr, int addrlen)

功能描述:用于非可靠连接(UDP)的数据发送,因为UDP方式未建立连接socket,因此需要制定目的协议地址。

当本地与不同目的地址通信时,只需指定目的地址,可使用同一个UDP套接口描述符sockfd,而TCP要预先建立连接,每个连接都会产生不同的套接口描述符,体现在:客户端要使用不同的fd进行connect,服务端每次accept产生不同的fd。

因为UDP没有真正的发送缓冲区,因为是不可靠连接,不必保存应用进程的数据拷贝,应用进程中的数据在沿协议栈向下传递时,以某种形式拷贝到内核缓冲区,当数据链路层把数据传出后就把内核缓冲区中数据拷贝删除。因此它不需要一个发送缓冲区。写UDP套接口的sendto/write返回表示应用程序的数据或数据分片已经进入链路层的输出队列,如果输出队列没有足够的空间存放数据,将返回错误ENOBUFS.

参数解释:

sockfd -- 发送端套接字描述符(非监听描述符);

msg -- 待发送数据的缓冲区;

len -- 待发送数据的字节长度;

flags -- 一般情况下置为0;

dst_addr -- 数据发送的目的地址;

addrlen -- 地址长度。

2.9 recvfrom()

原型:int recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, int*fromlen)

功能描述:用于非可靠连接(UDP)的数据接收。

参数解释:

sockfd -- 接收端套接字描述;

buf -- 用于接收数据的应用缓冲区地址;

len -- 指名缓冲区大小;

flags -- 通常为0;

src_addr -- 数据来源端的地址;

fromlen -- 作为输入时,fromlen常置为sizeof(struct sockaddr);当输出时,fromlen包含实际存入buf中的数据字节数。

 

代码参考

服务端;

#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

int main(int argc, char* argv[])
{
    //初始化WSA
    WORD sockVersion = MAKEWORD(2,2);
    WSADATA wsaData;
    if(WSAStartup(sockVersion, &wsaData)!=0)
    {
        return 0;
    }

    //创建套接字
    SOCKET slisten = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if(slisten == INVALID_SOCKET)
    {
        printf("socket error !");
        return 0;
    }

    //绑定IP和端口
    sockaddr_in sin;
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_port = htons(8888);
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY; 
    if(bind(slisten, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
    {
        printf("bind error !");
    }

    //开始监听
    if(listen(slisten, 5) == SOCKET_ERROR)
    {
        printf("listen error !");
        return 0;
    }

    //循环接收数据
    SOCKET sClient;
    sockaddr_in remoteAddr;
    int nAddrlen = sizeof(remoteAddr);
    char revData[255]; 
    while (true)
    {
        printf("等待连接...\n");
        sClient = accept(slisten, (SOCKADDR *)&remoteAddr, &nAddrlen);
        if(sClient == INVALID_SOCKET)
        {
            printf("accept error !");
            continue;
        }
        printf("接受到一个连接:%s \r\n", inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr));
        
        //接收数据
        int ret = recv(sClient, revData, 255, 0);        
        if(ret > 0)
        {
            revData[ret] = 0x00;
            printf(revData);
        }

        //发送数据
        char * sendData = "你好,TCP客户端!\n";
        send(sClient, sendData, strlen(sendData), 0);
        closesocket(sClient);
    }
    
    closesocket(slisten);
    WSACleanup();
    return 0;
}
 

客户端:

#include "stdafx.h"
#include <WINSOCK2.H>
#include <STDIO.H>

#pragma  comment(lib,"ws2_32.lib")


int main(int argc, char* argv[])
{
    WORD sockVersion = MAKEWORD(2,2);
    WSADATA data; 
    if(WSAStartup(sockVersion, &data) != 0)
    {
        return 0;
    }

    SOCKET sclient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if(sclient == INVALID_SOCKET)
    {
        printf("invalid socket !");
        return 0;
    }

    sockaddr_in serAddr;
    serAddr.sin_family = AF_INET;
    serAddr.sin_port = htons(8888);
    serAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1"); 
    if (connect(sclient, (sockaddr *)&serAddr, sizeof(serAddr)) == SOCKET_ERROR)
    {
        printf("connect error !");
        closesocket(sclient);
        return 0;
    }
    char * sendData = "你好,TCP服务端,我是客户端!\n";
    send(sclient, sendData, strlen(sendData), 0);

    char recData[255];
    int ret = recv(sclient, recData, 255, 0);
    if(ret > 0)
    {
        recData[ret] = 0x00;
        printf(recData);
    }
    closesocket(sclient);
    WSACleanup();
    return 0;
}