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“一切皆Socket!”
话虽些许夸张,可是事实也是,如今的网络编程差点儿都是用的socket。
——有感于实际编程和开源项目研究。
我们深谙信息交流的价值,那网络中进程之间怎样通信,如我们每天打开浏览器浏览网页时,浏览器的进程怎么与webserver通信的?当你用QQ聊天时,QQ进程怎么与server或你好友所在的QQ进程通信?这些都得靠socket?那什么是socket?socket的类型有哪些?还有socket的基本函数,这些都是本文想介绍的。本文的主要内容例如以下:
本地的进程间通信(IPC)有非常多种方式,但能够总结为以下4类:
但这些都不是本文的主题!我们要讨论的是网络中进程之间怎样通信?首要解决的问题是怎样唯一标识一个进程,否则通信无从谈起!在本地能够通过进程PID来唯一标识一个进程,可是在网络中这是行不通的。事实上TCP/IP协议族已经帮我们攻克了这个问题,网络层的“ip地址”能够唯一标识网络中的主机,而传输层的“协议+port”能够唯一标识主机中的应用程序(进程)。这样利用三元组(ip地址,协议,port)就能够标识网络的进程了,网络中的进程通信就能够利用这个标志与其他进程进行交互。
使用TCP/IP协议的应用程序通常採用应用编程接口:UNIX BSD的套接字(socket)和UNIX System V的TLI(已经被淘汰),来实现网络进程之间的通信。就眼下而言,差点儿全部的应用程序都是採用socket,而如今又是网络时代,网络中进程通信是无处不在,这就是我为什么说“一切皆socket”。
上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的,那什么是socket呢?socket起源于Unix,而Unix/Linux基本哲学之中的一个就是“一切皆文件”,都能够用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是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),这些函数我们在后面进行介绍。
socket一词的起源
在组网领域的首次使用是在1970年2月12日公布的文献IETF RFC33中发现的,撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。依据美国计算机历史博物馆的记载,Croker写道:“命名空间的元素都可称为套接字接口。一个套接字接口构成一个连接的一端,而一个连接可全然由一对套接字接口规定。”计算机历史博物馆补充道:“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。”
既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现,那么socket就提供了这些操作相应的函数接口。以下以TCP为例,介绍几个主要的socket接口函数。
int socket(int domain, int type, int protocol);
socket函数相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写叙述字,而socket()用于创建一个socket描写叙述符(socket descriptor),它唯一标识一个socket。这个socket描写叙述字跟文件描写叙述字一样,兴许的操作都实用到它,把它作为參数,通过它来进行一些读写操作。
正如能够给fopen的传入不同參数值,以打开不同的文件。创建socket的时候,也能够指定不同的參数创建不同的socket描写叙述符,socket函数的三个參数分别为:
注意:并非上面的type和protocol能够任意组合的,如SOCK_STREAM不能够跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时,会自己主动选择type类型相应的默认协议。
当我们调用socket创建一个socket时,返回的socket描写叙述字它存在于协议族(address family,AF_XXX)空间中,但没有一个详细的地址。假设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()时系统会自己主动随机分配一个port。
正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。比如相应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和port号组合赋给socket。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函数的三个參数分别为:
struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */ in_port_t sin_port; /* port in network byte order */ struct in_addr sin_addr; /* internet address */ }; /* Internet address. */ struct in_addr { uint32_t s_addr; /* address in network byte order */ };
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 */ };
#define UNIX_PATH_MAX 108 struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */ char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ };
通常server在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址(如ip地址+port号),用于提供服务,客户就能够通过它来接连server;而client就不用指定,有系统自己主动分配一个port号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常server端在listen之前会调用bind(),而client就不会调用,而是在connect()时由系统随机生成一个。
网络字节序与主机字节序
主机字节序就是我们寻常说的大端和小端模式:不同的CPU有不同的字节序类型,这些字节序是指整数在内存中保存的顺序,这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义例如以下:
a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端,高位字节排放在内存的高地址端。
b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端,低位字节排放在内存的高地址端。
网络字节序:4个字节的32 bit值以以下的次序传输:首先是0~7bit,其次8~15bit,然后16~23bit,最后是24~31bit。这样的传输次序称作大端字节序。因为TCP/IP首部中全部的二进制整数在网络中传输时都要求以这样的次序,因此它又称作网络字节序。字节序,顾名思义字节的顺序,就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序,一个字节的数据没有顺序的问题了。
所以:在将一个地址绑定到socket的时候,请先将主机字节序转换成为网络字节序,而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。因为这个问题曾引发过血案!公司项目代码中因为存在这个问题,导致了非常多莫名其妙的问题,所以请谨记对主机字节序不要做不论什么假定,务必将其转化为网络字节序再赋给socket。
假设作为一个server,在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket,假设client这时调用connect()发出连接请求,server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函数的第一个參数即为要监听的socket描写叙述字,第二个參数为对应socket能够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函数的第一个參数即为client的socket描写叙述字,第二參数为server的socket地址,第三个參数为socket地址的长度。client通过调用connect函数来建立与TCPserver的连接。
TCPserver端依次调用socket()、bind()、listen()之后,就会监听指定的socket地址了。TCPclient依次调用socket()、connect()之后就想TCPserver发送了一个连接请求。TCPserver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。之后就能够開始网络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);
accept函数的第一个參数为server的socket描写叙述字,第二个參数为指向struct sockaddr *的指针,用于返回client的协议地址,第三个參数为协议地址的长度。假设accpet成功,那么其返回值是由内核自己主动生成的一个全新的描写叙述字,代表与返回客户的TCP连接。
注意:accept的第一个參数为server的socket描写叙述字,是server開始调用socket()函数生成的,称为监听socket描写叙述字;而accept函数返回的是已连接的socket描写叙述字。一个server通常通常只只创建一个监听socket描写叙述字,它在该server的生命周期内一直存在。内核为每一个由server进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描写叙述字,当server完毕了对某个客户的服务,对应的已连接socket描写叙述字就被关闭。
万事具备仅仅欠东风,至此server与客户已经建立好连接了。能够调用网络I/O进行读写操作了,即实现了网咯中不同进程之间的通信!网络I/O操作有以下几组:
我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数,这两个函数是最通用的I/O函数,实际上能够把上面的其他函数都替换成这两个函数。它们的声明例如以下:
#include <unistd.h> ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> 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函数是负责从fd中读取内容.当读成功时,read返回实际所读的字节数,假设返回的值是0表示已经读到文件的结束了,小于0表示出现了错误。假设错误为EINTR说明读是由中断引起的,假设是ECONNREST表示网络连接出了问题。
write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描写叙述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1,并设置errno变量。 在网络程序中,当我们向套接字文件描写叙述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0,表示写了部分或者是所有的数据。2)返回的值小于0,此时出现了错误。我们要依据错误类型来处理。假设错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。假设为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。
其他的我就不一一介绍这几对I/O函数了,详细參见man文档或者baidu、Google,以下的样例中将使用到send/recv。
在server与client建立连接之后,会进行一些读写操作,完毕了读写操作就要关闭对应的socket描写叙述字,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,然后马上返回到调用进程。该描写叙述字不能再由调用进程使用,也就是说不能再作为read或write的第一个參数。
注意:close操作仅仅是使对应socket描写叙述字的引用计数-1,仅仅有当引用计数为0的时候,才会触发TCPclient向server发送终止连接请求。
我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”,即交换三个分组。大致流程例如以下:
仅仅有就完了三次握手,可是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢?请看下图:
图1、socket中发送的TCP三次握手
从图中能够看出,当client调用connect时,触发了连接请求,向server发送了SYN J包,这时connect进入堵塞状态;server监听到连接请求,即收到SYN J包,调用accept函数接收请求向client发送SYN K ,ACK J+1,这时accept进入堵塞状态;client收到server的SYN K ,ACK J+1之后,这时connect返回,并对SYN K进行确认;server收到ACK K+1时,accept返回,至此三次握手完成,连接建立。
总结:client的connect在三次握手的第二个次返回,而server端的accept在三次握手的第三次返回。
上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程,及其涉及的socket函数。如今我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程,请看下图:
图2、socket中发送的TCP四次握手
图示步骤例如以下:
这样每一个方向上都有一个FIN和ACK。
说了这么多了,动手实践一下。以下编写一个简单的server、client(使用TCP)——server端一直监听本机的6666号port,假设收到连接请求,将接收请求并接收client发来的消息;client与server端建立连接并发送一条消息。
server端代码:
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#define MAXLINE 4096
int main(int argc, char** argv)
{
int listenfd, connfd;
struct sockaddr_in servaddr;
char buff[4096];
int n;
if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){
printf("create socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(6666);
if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
printf("bind socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
if( listen(listenfd, 10) == -1){
printf("listen socket error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
printf("======waiting for client‘s request======/n");
while(1){
if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){
printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);
continue;
}
n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);
buff[n] = ‘/0‘;
printf("recv msg from client: %s/n", buff);
close(connfd);
}
close(listenfd);
}
client代码:
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#define MAXLINE 4096
int main(int argc, char** argv)
{
int sockfd, n;
char recvline[4096], sendline[4096];
struct sockaddr_in servaddr;
if( argc != 2){
printf("usage: ./client <ipaddress>/n");
exit(0);
}
if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){
printf("create socket error: %s(errno: %d)/n", strerror(errno),errno);
exit(0);
}
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(6666);
if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){
printf("inet_pton error for %s/n",argv[1]);
exit(0);
}
if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){
printf("connect error: %s(errno: %d)/n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
printf("send msg to server: /n");
fgets(sendline, 4096, stdin);
if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)
{
printf("send msg error: %s(errno: %d)/n", strerror(errno), errno);
exit(0);
}
close(sockfd);
exit(0);
}
当然上面的代码非常easy,也有非常多缺点,这就仅仅是简单的演示socket的基本函数使用。事实上无论有多复杂的网络程序,都使用的这些基本函数。上面的server使用的是迭代模式的,即仅仅有处理完一个client请求才会去处理下一个client的请求,这种server处理能力是非常弱的,现实中的server都须要有并发处理能力!为了须要并发处理,server须要fork()一个新的进程或者线程去处理请求等。
留下一个问题,欢迎大家回帖回答!!!是否熟悉Linux下网络编程?如熟悉,编写例如以下程序完毕例如以下功能:
server端:
接收地址192.168.100.2的client信息,如信息为“Client Query”,则打印“Receive Query”
client:
向地址192.168.100.168的server端顺序发送信息“Client Query test”,“Cleint Query”,“Client Query Quit”,然后退出。
题目中出现的ip地址能够依据实际情况定。
——本文仅仅是介绍了简单的socket编程。
更为复杂的须要自己继续深入。
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