今天就以本篇文章內(nèi)容給小伙伴們詳細闡述一下"Socket技術原理與實現(xiàn)"。

一、 什么是"Socket"

在網(wǎng)絡中，根據(jù)IP我們可以識別具體的主機，再根據(jù)tcp協(xié)議+端口我們就可以識別具體主機通訊的進程了;那么socket在其中扮演者什么樣的角色呢?

我們經(jīng)常把socket定義為套接字，socket是在應用層和傳輸層之間的一個抽象層，它把TCP/IP層復雜的操作抽象為幾個簡單的接口供應用層調(diào)用已實現(xiàn)進程在網(wǎng)絡中通信。 下面是網(wǎng)絡分層以及socket在分層中的實際位置：

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我們可以發(fā)現(xiàn)socket就在應用程序的傳輸層和應用層之間，設計了一個socket抽象層，傳輸層的底一層的服務提供給socket抽象層，socket抽象層再提供給應用層，問題又來了，應用層和socket抽象層之間和傳輸層，網(wǎng)絡層之間如何通訊的呢，要想理解socket編程怎么通過socket關鍵詞實現(xiàn)和客戶端通訊，必須得實現(xiàn)的了解tcp/ip是怎么通訊的，在這個的基礎上在去理解socket的握手通訊

在tcp/ip協(xié)議中，tcp通過三次握手建立起一個tcp的鏈接，大致如下：

• 第一次握手：客戶端嘗試連接服務器，向服務器發(fā)送syn包，syn=j，客戶端進入SYN_SEND狀態(tài)等待服務器確認
• 第二次握手：服務器接收客戶端syn包并確認(ack=j+1)，同時向客戶端發(fā)送一個SYN包(syn=k)，即SYN+ACK包，此時服務器進入SYN_RECV狀態(tài)
• 第三次握手：客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向服務器發(fā)送確認包ACK(ack=k+1)，此包發(fā)送完畢，客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手

三次握手如下圖：

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根據(jù)tcp的三次握手，socket也定義了三次握手，如下圖：

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在上面圖的基礎上，如果我們得到上面的圖形，需要我們自己開發(fā)一些接口。所以程序大牛們將這些抽象化的理念接口化，針對協(xié)議提出的每個理念，專門的編寫制定的接口，與其協(xié)議一一對應，形成了現(xiàn)在的socket標準規(guī)范，然后將其接口封裝成可以調(diào)用的接口，供開發(fā)者使用，目前，開發(fā)者開發(fā)出了很多封裝的類來完善socket編程，都是更加方便的實現(xiàn)剛開始socket通信的各個環(huán)節(jié)。

小結：

• socket即為套接字，在TCP/IP協(xié)議中，"IP地址+TCP或UDP端口號"唯一的標識網(wǎng)絡通訊中的一個進程，"IP地址+TCP或UDP端口號"就為socket。
• 在TCP協(xié)議中，建立連接的兩個進程(客戶端和服務器)各自有一個socket來標識，則這兩個socket組成的socket pair就唯一標識一個連接。
• socket本身就有"插座"的意思，因此用來形容網(wǎng)絡連接的一對一關系，為TCP/IP協(xié)議設計的應用層編程接口稱為socket API。

二、 socket通信基本原理

通過上面我們理解了socket通訊過程，那我們作為編程需要哪些函數(shù)來實現(xiàn)呢，如下：

• 第一次握手：客戶端需要發(fā)送一個syn j 包，試著去鏈接服務器端，于是客戶端我們需要提供一個鏈接函數(shù)
• 第二次握手：服務器端需要接收客戶端發(fā)送過來的syn J+1 包，然后在發(fā)送ack包，所以我們需要有服務器端接受處理函數(shù)
• 第三次握手：客戶端的處理函數(shù)和服務器端的處理函數(shù)

三次握手只是一個數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，但是，我們傳輸前需要一些準備工作，比如將創(chuàng)建一個套接字，收集一些計算機的資源，將一些資源綁定套接字里面，以及接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)等等，這些功能接口在一起構成了socket的編程

下面大致的按照客戶端和服務端將所需的函數(shù)和原理過程：

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首先，服務端初始化ServerSocket，然后對指定的端口進行綁定，接著對端口及進行監(jiān)聽，通過調(diào)用accept方法阻塞，此時，如果客戶端有一個socket連接到服務端，那么服務端通過監(jiān)聽和accept方法可以與客戶端進行連接。

socket通信基本原理明白后，那我們就寫一個最簡單的示例，來理解通信過程：

客戶端的代碼：

[cpp]  #include <winsock2.h>  #include <stdio.h>  #pragma comment(lib,"ws2_32.lib")  int main()  {  //SOCKET前的一些檢查，檢查協(xié)議庫的版本，為了避免別的版本的socket，并且通過  //WSAStartup啟動對應的版本，WSAStartup的參數(shù)一個是版本信息，一個是一些詳細的細節(jié)，注意高低位  //WSAStartup與WSACleanup對應  int err;  WORD versionRequired;  WSADATA wsaData;  versinotallow=MAKEWORD(1,1);  err=WSAStartup(versionRequired,&wsaData);//協(xié)議庫的版本信息   //通過WSACleanup的返回值來確定socket協(xié)議是否啟動  if (!err)  {  printf("客戶端嵌套字已經(jīng)打開! ");  }  else  {  printf("客戶端的嵌套字打開失敗! ");  return 0;//結束  }  //創(chuàng)建socket這個關鍵詞，這里想一下那個圖形中的socket抽象層  //注意socket這個函數(shù)，他三個參數(shù)定義了socket的所處的系統(tǒng)，socket的類型，以及一些其他信息  SOCKET clientSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);   //socket編程中，它定義了一個結構體SOCKADDR_IN來存計算機的一些信息，像socket的系統(tǒng)，  //端口號，ip地址等信息，這里存儲的是服務器端的計算機的信息  SOCKADDR_IN clientsock_in;  clientsock_in.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("127.0.0.1");  clientsock_in.sin_family=AF_INET;  clientsock_in.sin_port=htons(6000);   //前期定義了套接字，定義了服務器端的計算機的一些信息存儲在clientsock_in中，  //準備工作完成后，然后開始將這個套接字鏈接到遠程的計算機  //也就是第一次握手   connect(clientSocket,(SOCKADDR*)&clientsock_in,sizeof(SOCKADDR));//開始連接    char receiveBuf[100];   //解釋socket里面的內(nèi)容  recv(clientSocket,receiveBuf,101,0);  printf("%s ",receiveBuf);   //發(fā)送socket數(shù)據(jù)  send(clientSocket,"hello,this is client",strlen("hello,this is client")+1,0);   //關閉套接字  closesocket(clientSocket);  //關閉服務  WSACleanup();  return 0;  }

對應的服務端的代碼：

[cpp]  #include <winsock2.h>  #include <stdio.h>  #pragma comment(lib,"ws2_32.lib")  int main()  {  //創(chuàng)建套接字，socket前的一些檢查工作，包括服務的啟動  WORD myVersionRequest;  WSADATA wsaData;  myVersinotallow=MAKEWORD(1,1);  int err;  err=WSAStartup(myVersionRequest,&wsaData);  if (!err)  {  printf("已打開套接字 ");  }  else  {  //進一步綁定套接字  printf("嵌套字未打開!");  return 0;  }  SOCKET serSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//創(chuàng)建了可識別套接字  //需要綁定的參數(shù)，主要是本地的socket的一些信息。  SOCKADDR_IN addr;  addr.sin_family=AF_INET;  addr.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);//ip地址  addr.sin_port=htons(6000);//綁定端口   bind(serSocket,(SOCKADDR*)&addr,sizeof(SOCKADDR));//綁定完成  listen(serSocket,5);//其中第二個參數(shù)代表能夠接收的最多的連接數(shù)    SOCKADDR_IN clientsocket;  int len=sizeof(SOCKADDR);  while (1)  {  //第二次握手，通過accept來接受對方的套接字的信息  SOCKET serCnotallow=accept(serSocket,(SOCKADDR*)&clientsocket,&len);//如果這里不是accept而是conection的話。。就會不斷的監(jiān)聽  char sendBuf[100];  sprintf(sendBuf,"welcome %s to bejing",inet_ntoa(clientsocket.sin_addr));//找對對應的IP并且將這行字打印到那里  //發(fā)送信息  send(serConn,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);  char receiveBuf[100];//接收  recv(serConn,receiveBuf,strlen(receiveBuf)+1,0);  printf("%s ",receiveBuf);  closesocket(serConn);//關閉  WSACleanup();//釋放資源的操作  }  return 0;  }

三、 Socket下的函數(shù)詳解

用程序在使用套接字前，首先必須擁有一個套接字，系統(tǒng)調(diào)用socket()向應用程序提供創(chuàng)建套接字的手段，其調(diào)用格式如下：

[cpp]  SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol)

該調(diào)用要接收三個參數(shù)：af、type、protocol。參數(shù)af指定通信發(fā)生的區(qū)域：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中僅支持AF_INET，它是網(wǎng)際網(wǎng)區(qū)域。因此，地址族與協(xié)議族相同。參數(shù)type 描述要建立的套接字的類型。這里分三種：

• 一是TCP流式套接字(SOCK_STREAM)提供了一個面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務，數(shù)據(jù)無差錯、無重復地發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。內(nèi)設流量控制，避免數(shù)據(jù)流超限;數(shù)據(jù)被看作是字節(jié)流，無長度限制。文件傳送協(xié)議(FTP)即使用流式套接字。
• 二是數(shù)據(jù)報式套接字(SOCK_DGRAM)提供了一個無連接服務。數(shù)據(jù)包以獨立包形式被發(fā)送，不提供無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復，并且接收順序混亂。網(wǎng)絡文件系統(tǒng)(NFS)使用數(shù)據(jù)報式套接字。
• 三是原始式套接字(SOCK_RAW)該接口允許對較低層協(xié)議，如IP、ICMP直接訪問。常用于檢驗新的協(xié)議實現(xiàn)或訪問現(xiàn)有服務中配置的新設備。

參數(shù)protocol說明該套接字使用的特定協(xié)議，如果調(diào)用者不希望特別指定使用的協(xié)議，則置為0，使用默認的連接模式。根據(jù)這三個參數(shù)建立一個套接字，并將相應的資源分配給它，同時返回一個整型套接字號。因此，socket()系統(tǒng)調(diào)用實際上指定了相關五元組中的"協(xié)議"這一元。

1. 指定本地地址──bind()

當一個套接字用socket()創(chuàng)建后，存在一個名字空間(地址族)，但它沒有被命名。bind()將套接字地址(包括本地主機地址和本地端口地址)與所創(chuàng)建的套接字號聯(lián)系起來，即將名字賦予套接字，以指定本地半相關。其調(diào)用格式如下：

[cpp]  int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

參數(shù)s是由socket()調(diào)用返回的并且未作連接的套接字描述符(套接字號)。參數(shù)name 是賦給套接字s的本地地址(名字)，其長度可變，結構隨通信域的不同而不同。namelen表明了name的長度。如果沒有錯誤發(fā)生，bind()返回0。否則返回SOCKET_ERROR。

2. 建立套接字連接──connect()與accept()

這兩個系統(tǒng)調(diào)用用于完成一個完整相關的建立，其中connect()用于建立連接。accept()用于使服務器等待來自某客戶進程的實際連接。

connect()的調(diào)用格式如下：

[cpp]  int PASCAL FAR connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

參數(shù)s是欲建立連接的本地套接字描述符。參數(shù)name指出說明對方套接字地址結構的指針。對方套接字地址長度由namelen說明。

如果沒有錯誤發(fā)生，connect()返回0。否則返回值SOCKET_ERROR。在面向連接的協(xié)議中，該調(diào)用導致本地系統(tǒng)和外部系統(tǒng)之間連接實際建立。

由于地址族總被包含在套接字地址結構的前兩個字節(jié)中，并通過socket()調(diào)用與某個協(xié)議族相關。因此bind()和connect()無須協(xié)議作為參數(shù)。

accept()的調(diào)用格式如下：

[cpp]  SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);

參數(shù)s為本地套接字描述符，在用做accept()調(diào)用的參數(shù)前應該先調(diào)用過listen()。addr 指向客戶方套接字地址結構的指針，用來接收連接實體的地址。addr的確切格式由套接字創(chuàng)建時建立的地址族決定。addrlen 為客戶方套接字地址的長度(字節(jié)數(shù))。如果沒有錯誤發(fā)生，accept()返回一個SOCKET類型的值，表示接收到的套接字的描述符。否則返回值INVALID_SOCKET。

accept()用于面向連接服務器。參數(shù)addr和addrlen存放客戶方的地址信息。調(diào)用前，參數(shù)addr 指向一個初始值為空的地址結構，而addrlen 的初始值為0;調(diào)用accept()后，服務器等待從編號為s的套接字上接受客戶連接請求，而連接請求是由客戶方的connect()調(diào)用發(fā)出的。當有連接請求到達時，accept()調(diào)用將請求連接隊列上的第一個客戶方套接字地址及長度放入addr 和addrlen，并創(chuàng)建一個與s有相同特性的新套接字號。新的套接字可用于處理服務器并發(fā)請求。

四個套接字系統(tǒng)調(diào)用，socket()、bind()、connect()、accept()，可以完成一個完全五元相關的建立。socket()指定五元組中的協(xié)議元，它的用法與是否為客戶或服務器、是否面向連接無關。bind()指定五元組中的本地二元，即本地主機地址和端口號，其用法與是否面向連接有關：在服務器方，無論是否面向連接，均要調(diào)用bind()，若采用面向連接，則可以不調(diào)用bind()，而通過connect()自動完成。若采用無連接，客戶方必須使用bind()以獲得一個唯一的地址。

3. 監(jiān)聽連接──listen()

此調(diào)用用于面向連接服務器，表明它愿意接收連接。listen()需在accept()之前調(diào)用，其調(diào)用格式如下：

[cpp]  int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);

參數(shù)s標識一個本地已建立、尚未連接的套接字號，服務器愿意從它上面接收請求。backlog表示請求連接隊列的最大長度，用于限制排隊請求的個數(shù)，目前允許的最大值為5。如果沒有錯誤發(fā)生，listen()返回0。否則它返回SOCKET_ERROR。

listen()在執(zhí)行調(diào)用過程中可為沒有調(diào)用過bind()的套接字s完成所必須的連接，并建立長度為backlog的請求連接隊列。

調(diào)用listen()是服務器接收一個連接請求的四個步驟中的第三步。它在調(diào)用socket()分配一個流套接字，且調(diào)用bind()給s賦于一個名字之后調(diào)用，而且一定要在accept()之前調(diào)用。

4. 數(shù)據(jù)傳輸──send()與recv()

當一個連接建立以后，就可以傳輸數(shù)據(jù)了。常用的系統(tǒng)調(diào)用有send()和recv()。

send()調(diào)用用于s指定的已連接的數(shù)據(jù)報或流套接字上發(fā)送輸出數(shù)據(jù)，格式如下：

[cpp]  int PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);

參數(shù)s為已連接的本地套接字描述符。buf 指向存有發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的指針，其長度由len 指定。flags 指定傳輸控制方式，如是否發(fā)送帶外數(shù)據(jù)等。如果沒有錯誤發(fā)生，send()返回總共發(fā)送的字節(jié)數(shù)。否則它返回SOCKET_ERROR。

recv()調(diào)用用于s指定的已連接的數(shù)據(jù)報或流套接字上接收輸入數(shù)據(jù)，格式如下：

[cpp]  int PASCAL FAR recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);

參數(shù)s 為已連接的套接字描述符。buf指向接收輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針，其長度由len 指定。flags 指定傳輸控制方式，如是否接收帶外數(shù)據(jù)等。如果沒有錯誤發(fā)生，recv()返回總共接收的字節(jié)數(shù)。如果連接被關閉，返回0。否則它返回SOCKET_ERROR。

輸入/輸出多路復用──select()：

select()調(diào)用用來檢測一個或多個套接字的狀態(tài)。對每一個套接字來說，這個調(diào)用可以請求讀、寫或錯誤狀態(tài)方面的信息。請求給定狀態(tài)的套接字集合由一個fd_set結構指示。在返回時，此結構被更新，以反映那些滿足特定條件的套接字的子集，同時， select()調(diào)用返回滿足條件的套接字的數(shù)目，其調(diào)用格式如下：

[cpp]  int PASCAL FAR select(int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout);

參數(shù)nfds指明被檢查的套接字描述符的值域，此變量一般被忽略。

參數(shù)readfds指向要做讀檢測的套接字描述符集合的指針，調(diào)用者希望從中讀取數(shù)據(jù)。參數(shù)writefds 指向要做寫檢測的套接字描述符集合的指針。exceptfds指向要檢測是否出錯的套接字描述符集合的指針。timeout指向select()函數(shù)等待的最大時間，如果設為NULL則為阻塞操作。select()返回包含在fd_set結構中已準備好的套接字描述符的總數(shù)目，或者是發(fā)生錯誤則返回SOCKET_ERROR。

5. 關閉套接字──closesocket()

closesocket()關閉套接字s，并釋放分配給該套接字的資源;如果s涉及一個打開的TCP連接，則該連接被釋放。closesocket()的調(diào)用格式如下：

[cpp]   BOOL PASCAL FAR closesocket(SOCKET s);

參數(shù)s待關閉的套接字描述符。如果沒有錯誤發(fā)生，closesocket()返回0。否則返回值SOCKET_ERROR。