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Socket原理与编程基础

不成熟的男人
 不成熟的男人
发布于 2015/08/03 20:29
字数 3771
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一、Socket简介

Socket是进程通讯的一种方式,即调用这个网络库的一些API函数实现分布在不同主机的相关进程之间的数据交换。

几个定义:

(1)IP地址:即依照TCP/IP协议分配给本地主机的网络地址,两个进程要通讯,任一进程首先要知道通讯对方的位置,即对方的IP。

(2)端口号:用来辨别本地通讯进程,一个本地的进程在通讯时均会占用一个端口号,不同的进程端口号不同,因此在通讯前必须要分配一个没有被访问的端口号。

(3)连接:指两个进程间的通讯链路。

(4)半相关:网络中用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程:

(协议,本地地址,本地端口号)

这样一个三元组,叫做一个半相关,它指定连接的每半部分。

(4)全相关:一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成,并且只能使用同一种高层协议。也就是说,不可能通信的一端用TCP协议,而另一端用UDP协议。因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识:

(协议,本地地址,本地端口号,远地地址,远地端口号)

这样一个五元组,叫做一个相关(association),即两个协议相同的半相关才能组合成一个合适的相关,或完全指定组成一连接。

 

二、客户/服务器模式

在TCP/IP网络应用中,通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器(Client/Server, C/S)模式,即客户向服务器发出服务请求,服务器接收到请求后,提供相应的服务。客户/服务器模式的建立基于以下两点:

(1)首先,建立网络的起因是网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等,需要共享,从而造就拥有众多资源的主机提供服务,资源较少的客户请求服务这一非对等作用。

(2)其次,网间进程通信完全是异步的,相互通信的进程间既不存在父子关系,又不共享内存缓冲区,因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系,为二者的数据交换提供同步,这就是基于客户/服务器模式的TCP/IP。

服务器端:

其过程是首先服务器方要先启动,并根据请求提供相应服务:

(1)打开一通信通道并告知本地主机,它愿意在某一公认地址上的某端口(如FTP的端口可能为21)接收客户请求;

(2)等待客户请求到达该端口;

(3)接收到客户端的服务请求时,处理该请求并发送应答信号。接收到并发服务请求,要激活一新进程来处理这个客户请求(如UNIX系统中用fork、exec)。新进程处理此客户请求,并不需要对其它请求作出应答。服务完成后,关闭此新进程与客户的通信链路,并终止。

(4)返回第(2)步,等待另一客户请求。

(5)关闭服务器

客户端:

(1)打开一通信通道,并连接到服务器所在主机的特定端口;

(2)向服务器发服务请求报文,等待并接收应答;继续提出请求......

(3)请求结束后关闭通信通道并终止。

 

从上面所描述过程可知:

(1)客户与服务器进程的作用是非对称的,因此代码不同。

(2)服务器进程一般是先启动的。只要系统运行,该服务进程一直存在,直到正常或强迫终止。

 

介绍完基础知识,下面就介绍一些API函数:

 

创建套接字──socket()

应用程序在使用套接字前,首先必须拥有一个套接字,系统调用socket()向应用程序提供创建套接字的手段,其调用格式如下:

SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol);

该调用要接收三个参数:af、type、protocol。参数af指定通信发生的区域:AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等,而DOS、 WINDOWS中仅支持AF_INET,它是网际网区域。因此,地址族与协议族相同。参数type 描述要建立的套接字的类型。这里分三种:

(1)一是TCP流式套接字(SOCK_STREAM)提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务,数据无差错、无重复地发送,且按发送顺序接收。内设流量控制,避免数据流超限;数据被看作是字节流,无长度限制。文件传送协议(FTP)即使用流式套接字。

(2)二是数据报式套接字(SOCK_DGRAM)提供了一个无连接服务。数据包以独立包形式被发送,不提供无错保证,数据可能丢失或重复,并且接收顺序混乱。网络文件系统(NFS)使用数据报式套接字。

(3)三是原始式套接字(SOCK_RAW)该接口允许对较低层协议,如IP、ICMP直接访问。常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备。

参数protocol说明该套接字使用的特定协议,如果调用者不希望特别指定使用的协议,则置为0,使用默认的连接模式。根据这三个参数建立一个套接字, 并将相应的资源分配给它,同时返回一个整型套接字号。因此,socket()系统调用实际上指定了相关五元组中的“协议”这一元。

 

指定本地地址──bind()

当一个套接字用socket()创建后,存在一个名字空间(地址族),但它没有被命名。bind()将套接字地址(包括本地主机地址和本地端口地址)与所创建的套接字号联系起来,即将名字赋予套接字,以指定本地半相关。其调用格式如下:

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

参数s是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符(套接字号)。参数name 是赋给套接字s的本地地址(名字),其长度可变,结构随通信域的不同而不同。namelen表明了name的长度。如果没有错误发生,bind()返回 0。否则返回SOCKET_ERROR。

 

建立套接字连接──connect()与accept()

这两个系统调用用于完成一个完整相关的建立,其中connect()用于建立连接。accept()用于使服务器等待来自某客户进程的实际连接。

 

connect()的调用格式如下:

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

参数s是欲建立连接的本地套接字描述符。参数name指出说明对方套接字地址结构的指针。对方套接字地址长度由namelen说明。

如果没有错误发生,connect()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。在面向连接的协议中,该调用导致本地系统和外部系统之间连接实际建立。

由于地址族总被包含在套接字地址结构的前两个字节中,并通过socket()调用与某个协议族相关。因此bind()和connect()无须协议作为参数。

accept()的调用格式如下:

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

参数s为本地套接字描述符,在用做accept()调用的参数前应该先调用过listen()。addr 指向客户方套接字地址结构的指针,用来接收连接实体的地址。addr的确切格式由套接字创建时建立的地址族决定。addrlen 为客户方套接字地址的长度(字节数)。如果没有错误发生,accept()返回一个SOCKET类型的值,表示接收到的套接字的描述符。否则返回值 INVALID_SOCKET。

 

accept()用于面向连接服务器。参数addr和addrlen存放客户方的地址信息。调用前,参数addr 指向一个初始值为空的地址结构,而addrlen 的初始值为0;调用accept()后,服务器等待从编号为s的套接字上接受客户连接请求,而连接请求是由客户方的connect()调用发出的。当有连 接请求到达时,accept()调用将请求连接队列上的第一个客户方套接字地址及长度放入addr 和addrlen,并创建一个与s有相同特性的新套接字号。新的套接字可用于处理服务器并发请求。

 

四个套接字系统调用,socket()、bind()、connect()、accept(),可以完成一个完全五元相关的建立。socket()指定五 元组中的协议元,它的用法与是否为客户或服务器、是否面向连接无关。bind()指定五元组中的本地二元,即本地主机地址和端口号,其用法与是否面向连接 有关:在服务器方,无论是否面向连接,均要调用bind(),若采用面向连接,则可以不调用bind(),而通过connect()自动完成。若采用无连 接,客户方必须使用bind()以获得一个唯一的地址。

 

监听连接──listen()

此调用用于面向连接服务器,表明它愿意接收连接。listen()需在accept()之前调用,其调用格式如下:

int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);

参数s标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号,服务器愿意从它上面接收请求。backlog表示请求连接队列的最大长度,用于限制排队请求的个数,目前允许的最大值为5。如果没有错误发生,listen()返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。

listen()在执行调用过程中可为没有调用过bind()的套接字s完成所必须的连接,并建立长度为backlog的请求连接队列。

调用listen()是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。它在调用socket()分配一个流套接字,且调用bind()给s赋于一个名字之后调用,而且一定要在accept()之前调用。

数据传输──send()与recv()

当一个连接建立以后,就可以传输数据了。常用的系统调用有send()和recv()。

send()调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上发送输出数据,格式如下:

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

参数s为已连接的本地套接字描述符。buf 指向存有发送数据的缓冲区的指针,其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式,如是否发送带外数据等。如果没有错误发生,send()返回总共发送的字节数。否则它返回SOCKET_ERROR。

recv()调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上接收输入数据,格式如下:

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

参数s 为已连接的套接字描述符。buf指向接收输入数据缓冲区的指针,其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式,如是否接收带外数据等。如果没有错误发生,recv()返回总共接收的字节数。如果连接被关闭,返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。

 

输入/输出多路复用──select()

select()调用用来检测一个或多个套接字的状态。对每一个套接字来说,这个调用可以请求读、写或错误状态方面的信息。请求给定状态的套接字集合由一 个fd_set结构指示。在返回时,此结构被更新,以反映那些满足特定条件的套接字的子集,同时, select()调用返回满足条件的套接字的数目,其调用格式如下:

 

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

 

参数nfds指明被检查的套接字描述符的值域,此变量一般被忽略。

 

参数readfds指向要做读检测的套接字描述符集合的指针,调用者希望从中读取数据。参数writefds 指向要做写检测的套接字描述符集合的指针。exceptfds指向要检测是否出错的套接字描述符集合的指针。timeout指向select()函数等待 的最大时间,如果设为NULL则为阻塞操作。select()返回包含在fd_set结构中已准备好的套接字描述符的总数目,或者是发生错误则返回 SOCKET_ERROR。

 

关闭套接字──closesocket()

closesocket()关闭套接字s,并释放分配给该套接字的资源;如果s涉及一个打开的TCP连接,则该连接被释放。closesocket()的调用格式如下:

BOOL PASCAL FAR closesocket(SOCKET s);

参数s待关闭的套接字描述符。如果没有错误发生,closesocket()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。

 

以上就是SOCKET API一些常用的API函数,下面是一段代码:

//客户端代码:

#include <WINSOCK2.H>

#include <stdio.h>

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

 

int main(){

       int err;

       WORD versionRequired;

       WSADATA wsaData;

       versionRequired=MAKEWORD(1,1);

       err=WSAStartup(versionRequired,&wsaData);//协议库的版本信息

       if (!err){

              printf("客户端嵌套字已经打开!\n");

       } else{

              printf("客户端的嵌套字打开失败!\n");

              return 0;//结束

       }

       SOCKET clientSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

       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);

       //bind(clientSocket,(SOCKADDR*)&clientsock_in,strlen(SOCKADDR));//注意第三个参数

       //listen(clientSocket,5);

       connect(clientSocket,(SOCKADDR*)&clientsock_in,sizeof(SOCKADDR));//开始连接

       char receiveBuf[100];

       recv(clientSocket,receiveBuf,101,0);

       printf("%s\n",receiveBuf);

       send(clientSocket,"hello,this is client",strlen("hello,this is client")+1,0);

       closesocket(clientSocket);

       WSACleanup();

       return 0;

}

//服务器端代码:

#include <WINSOCK2.H>

#include <stdio.h>

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

int main()

{

       //创建套接字

       WORD myVersionRequest;

       WSADATA wsaData;

       myVersionRequest=MAKEWORD(1,1);

       int err;

       err=WSAStartup(myVersionRequest,&wsaData);

       if (!err){

              printf("已打开套接字\n");

       }else

       {

              //进一步绑定套接字

              printf("嵌套字未打开!");

              return 0;

       }

       SOCKET serSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建了可识别套接字

       //需要绑定的参数

       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);//绑定端口

       bind(serSocket,(SOCKADDR*)&addr,sizeof(SOCKADDR));//绑定完成

       listen(serSocket,5);//其中第二个参数代表能够接收的最多的连接数

       //开始进行监听

       //////////////////////////////////////////////////////////////////////////

       SOCKADDR_IN clientsocket;

       int len=sizeof(SOCKADDR);

       while (1)

       {

              SOCKET serConn=accept(serSocket,(SOCKADDR*)&clientsocket,&len);//如果这里不是accept而是conection的话。。就会不断的监听

              char sendBuf[100];

              sprintf(sendBuf,"welcome %s to bejing",inet_ntoa(clientsocket.sin_addr));//找对对应的IP并且将这行字打印到那里

              send(serConn,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);

              char receiveBuf[100];//接收

              recv(serConn,receiveBuf,strlen(receiveBuf)+1,0);

              printf("%s\n",receiveBuf);

              closesocket(serConn);//关闭

              WSACleanup();//释放资源的操作

       }

       return 0;

}


本文转载自:http://acm.tzc.edu.cn/acmhome/projectList.do?method=projectNewsDetail&nid=2

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