Linux-socket 模型理解

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一、socket

　　一般来说socket有一个别名也叫做套接字。

　　socket起源于Unix，都可以用“打 开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写 IO、打开、关闭）。

　　说白了Socket是应用层与TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后 面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议，而不需要让用户自己去定义什么时候需要指定哪个协议哪个函数。

    其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。

1.1套接字描述符

　　其实就是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr

　　套接字API最初是作为UNIX操作系统的一部分而开发的，所以套接字API 与系统的其他I/O设备集成在一起。特别是，当应用程序要为因特网通信而创建一个套接字（socket）时，操作系统就返回一个小整数作为描述符 （descriptor）来标识这个套接字。然后，应用程序以该描述符作为传递参数，通过调用函数来完成某种操作（例如通过网络传送数据或接收输入的数 据）。

　　在许多操作系统中，套接字描述符和其他I/O描述符是集成在一起的，所以应用程序可以对文件进行套接字I/O或I/O读/写操作。

　　当应用程序要创建一个套接字时，操作系统就返回一个小整数作为描述符，应用程 序则使用这个描述符来引用该套接字需要I/O请求的应用程序请求操作系统打开一个文件。操作系统就创建一个文件描述符提供给应用程序访问文件。从应用程序 的角度看，文件描述符是一个整数，应用程序可以用它来读写文件。下图显示，操作系统如何把文件描述符实现为一个指针数组，这些指针指向内部数据结构。

 对于每个程序系统都有一张单独的表。精确地讲，系统为每个运行的进程维护一张单 独的文件描述符表。当进程打开一个文件时，系统把一个指向此文件内部数据结构的指针写入文件描述符表，并把该表的索引值返回给调用者 。应用程序只需记住 这个描述符，并在以后操作该文件时使用它。操作系统把该描述符作为索引访问进程描述符表，通过指针找到保存该文件所有的信息的数据结构。

针对套接字的系统数据结构：

   1）、套接字API里有个函数socket，它就是用来创建一个套接字。套接字设计的总体思路是，单个系统调用就可以创建任何套接字，因为套接字是相当 笼统的。一旦套接字创建后，应用程序还需要调用其他函数来指定具体细节。例如调用socket将创建一个新的描述符条目：

   2）、虽然套接字的内部数据结构包含很多字段，但是系统创建套接字后，大多数字字段没有填写。应用程序创建套接字后在该套接字可以使用之前，必须调用其他的过程来填充这些字段。

二、基本的socket接口函数

　　服务器端先初始化/创建Socket，然后与端口绑定/绑定地址 (bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞/等待连续，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连 接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送 给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

2.1socket函数

函数原型

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

返回值：

　　//返回sockfd     sockfd是描述符,类似于open函数。

函数功能：

　　socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件 描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些 读写操作。

函数参数：

　　protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协 议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、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。

　　type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。

　　protocol：就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议

　　注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在 于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、 listen()时系统会自动随机分配一个端口

2.2bind()函数

函数功能：

　　bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket，也可以说是绑定ip端口和socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

函数原型：

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

函数参数：

　　1.函数的三个参数分别为：sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

　　2.addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，

　　3.addrlen：对应的是地址的长度。

通用函数类型：

struct sockaddr{
　　sa_family_t  sa_family;
　　char         sa_data[14];
}

如ipv4对应的是：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order 2字节*/
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address 4字节*/
　　unsigned char sin_zero[8];
};
/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

ipv6对应的是： 

struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};
struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
};

Unix域对应的是： 

#define UNIX_PATH_MAX    108
struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};

　　通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。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。

2.2.1地址转换

int_addr_t indet_addr(const char *cp)

　　功能：将字符串形式的IP地址转化为整数型的IP地址（网络字节序）

 　　范例：int_addr.saddr=inet_addr("192.168.1.1");

char *inet_ntoa(struct in_addr)

 　　功能：将整数形式的IP地址转化为字符串形式的IP地址

2.2.2网络字节序

　　网络字节序定义：收到的第一个字节被当作高位看待，这就要求发送端发送的第一个字节应当是高位。而在发送端发送数据时，发送的第一个字节是该数字在内存中起始地址对应的字节。可见多字节数值在发送前，在内存中数值应该以大端法存放。 
　　网络字节序说是大端字节序。

　　小端法(Little-Endian)就是低位字节排放在内存的低地址端即该值的起始地址，高位字节排放在内存的高地址端。 
　　大端法(Big-Endian)就是高位字节排放在内存的低地址端即该值的起始地址，低位字节排放在内存的高地址端。

网络字节序转化：---->不论是数据还是地址只要大于两个字节就必须转换

　uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
　　将32位的数据从主机字节序转换为网络字节序
　　in_addr.saddr = htonl(INADDR_ANY)

　　uint16_t htons(uint16_t hostshort);
　　将16位的数据从主机字节序转换为网络字节序

　　uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
　　将32位的数据从网络字节序转换为主机字节序

　　uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
　　将16位的数据从网络字节序转换为主机字节序

2.3、listen()、connect()函数

　　如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

 int listen(int sockfd, int backlog);
  int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)

　　listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

　　connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。成功返回0，若连接失败则返回-1。

2.4、accept()函数

　　TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

  int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd

　　参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。

参数addr

　　这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。

参数len

如同大家所认为的，它也是结果的参数，用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。 

如果accept成功返回，则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。

注意：

　　accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是连接套接字。

此时我们需要区分两种套接字，

　　监听套接字: 监听套接字正如accept的参数sockfd，它是监听套接字，在调用listen函数之后，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字(监听套接字)

    连接套接字：一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字；而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字)，它代表着一个网络已经存在的点点连接。

　　一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

　　连接套接字socketfd_new 并没有占用新的端口与客户端通信，依然使用的是与监听套接字socketfd一样的端口号

2.5、recv()/send()函数

　　当然也可以使用其他函数来实现数据传送，比如read和write。

2.5.1send函数

 ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

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

　不论是客户还是服务器应用程序都用recv函数从TCP连接的另一端接收数据。

　该函数的第一个参数指定接收端套接字描述符；

　第二个参数指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放recv函数接收到的数据；

　第三个参数指明buf的长度；

　第四个参数一般置0。

2.6、close()函数

　　在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

　　close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

Linux-socket 模型理解

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