如何进行 Socket 编程

进程通信的概念最初来源于单机系统,由于每个进程都在各自的地址范围内运行,为了保证两个相互通信的进程之间既不互相干扰,又协调一致的工作,操作系统为进程通信提供了相应设施,如UNIX BSD中的管道(pipe),有名管道(named pipe)和软中断信号(singal),UNIX system V的消息(message)、共享存储区(shared memory)和信号量(semaphore)等，但都局限于用在本机进程之间通信。网间进程通信要解决的是不同主机进程间的通信问题（可把同机进程通信看作其中的特例）。为此，首先要解决的是网间进程标识问题。同一主机上，不同进程可以用进程号(pid)唯一标识。但在网络环境下，各主机独立分配的进程号不能唯一标识该进程。例如主机A赋予某进程号5，在B主机也可以存在5号进程，因此5号进程这句话就没有意义了。其次，操作系统支持的网络协议众多，不同协议的工作方式不同，地址格式也不同。因此，网间进程通信还要解决多重协议的识别问题。为了解决上述问题，TCP/IP协议引入了下列几个概念。

端口

网络中可以被命名和寻址的通信端口是操作系统可分配的一种资源。按照OSI七层协议的描述，传输层与网络层最大的区别是传输层提供进程通信能力。从这个意义上讲，网络通信的最终地址就不仅是主机地址了，还包括可以描述进程的某种标识符。为此TCP/IP协议提出了协议端口的概念，用于标识通信的进程。

端口是一种抽象的软件结构，包括一些数据结构和I/O缓冲区。应用程序即进程通过系统调用与某端口建立连接(binding)后，传输层传给该端口的数据都被相应的进程所接收，相应进程发给传输层的数据都从该端口输出。在TCP/IP协议的实现中，端口操作类似于一般的I/O操作，进程获取一个端口，相当于获取本地唯一的I/O文件，可以用一般的读写原语访问。

类似于文件描述符，每个端口都拥有一个叫端口号的整数描述符，以区别不同端口。由于TCP/IP传输层的两个协议TCP和UDP是两个完全独立的软件模块，因此各自的端口号也相互独立。如TCP有一个255号端口，UDP也可以有一个255号端口，两者并不冲突。

端口号的分配是一个重要问题，有两种基本分配方式：第一种叫全局分配这是一种集中分配方式，由一个公认的中央机构根据用户需要尽行统一分配，并将结果公布于众，第二种是本地分配，又称动态连接，即进程需要访问传输层服务时，向本地操作系统提出申请，操作系统返回本地唯一的端口号，进程再通过合适的系统调用，将自己和该端口连接起来（绑定）。TCP/IP端口号的分配综合了两种方式。TCP/IP将端口号分为两部分，少量的作为保留端口，以全局方式分配给服务进程。因此，每一个标准服务器都拥有一个全局公认的端口叫周知口，即使在不同的机器上，其端口号也相同。剩余的为自由端口，以本地方式进行分配。TCP和UDP规定,小于256的端口才能作为保留端口。

地址

网络通信中的两个进程分别在两个不同的机器上。在互连网络中，两台机器可以位于不同的网络，这些网络通过网际互连设备（网关，网桥，路由器）连接。因此需要三级寻址。

1。某一主机与多个网络相连，必须指定一特定网络地址；

2。网络上美一台主机应有其唯一的地址；

3。美一主机上的每一进程应有在该主机上的唯一标识。

主机地址就是IP啦，不必多说。进程唯一标识符是十六位整数端口号。

网络字节顺序

不同的计算机存放多字节值的顺序不同，有的机器在起始地址存放低位字节，有的则相反。为保证数据的正确性，在网络协议中需指定网络字节顺序。TCP/IP协议使用16位整数和32位整数的高价先存格式，他们均含在协议的头文件中。

连接

两个进程间的通信链路称为连接。连接在内部表现为一些缓冲区和一组协议机制，在外部表现出比无连接高的可靠性。

半相关

综上所述，网络中用一个三元组可以在全局中唯一标是一个进程：（协议，本机地址，本地端口号）这样一个三元组，叫做一个半相关，他指定连接的每半部分。

全相关

一个完整的网间进程通信需要有两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议。也就是说TCP和UDP没法通信。因此一个完整的网间进程通信需要一个五元组来标识：

（协议，本机地址，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全相关。

在TCP/IP网络应用中,通信的两个进程相互作用的主要模式是客户机/服务器模式,即客户端向服务器发出请求,服务器接收到请求后提供相应的服务客户机/服务器模式的建立基于以下两点: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。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一种联系，为二者的数据交换提供同步，这就是基于客户机/服务器模式的TCP/IP。

客户机/服务器模式在操作过程中采取的是主动请求方式：

首先服务器方要启动，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端口上(周知口，如http为80)接受客户请求。

2。等待客户请求到达该端口。

3。接收到重复服务请求，处理该请求并发送应答信号。接收并发服务请求，要激活一新进程来处理这个客户请求。新进程处理此客户请求，并不需要对其他请求做出应答。服务完成后，关闭此新进程与客户的通信链路，并终止。

4。返回第二步，等待另外的客户请求

5。关闭服务器。

客户方:

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。向服务器发出服务请求报文，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。

从上面的描述过程可知：

1。客户与服务器进程的作用是非对称的。因此编码不同。

2。服务进程一般是先于客户请求启动的。只要系统运行，该进程一直存在，直到正常终止或者强迫终止。

在UNIX世界中,网络应用编程界面有两类:BSD的套接字SOCKET和SYSTEM V的TLI.由于Sun公司采用了支持TCP/IP的BSD系统,TCP/IP的应用有了更大发展其网络应用编程界面Socket在网络编程中已成为标准。并且也早已经进入了MS的世界。

TCP/IP的Socket提供下列三种类型的套接字

1。流式套接字(SOCKET_STREAM)

提供了一个面向连接，可靠的数据传输服务，数据无差错，无重复的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。FTP协议即采用流式套接字。

2。数据报式套接字(SOCKET_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，并且接收顺序无序。网络文件系统NFS使用数据报式套接字。

3。原始式套接字(SOCKET_RAW)

该接口允许对较低层次协议，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。

基本套接字调用

创建套接字--socket();

绑定本机端口--bind();

建立连接--connect(),accept();

侦听端口--listen();

数据传输--send(),recv();

输入/输出多路复用--select();

关闭套接字--closesocket();

不论何种语言，和socket打交道都是这一组调用只是在格式上有一点点差别。我只使用过c和perl，再加上这里又不让出现与perl无关的东西，那下面就主要讨论PERL的socket编程啦:

创建建套接字：

socket(SOC_VARIABLE,DOMAIN_FLAG,connectType,num) #相应的C语言调用为sockid=socket(af,type,protocol)

参数含义如下：

SOC_VARIABLE是用于建立套接的句柄,相当于c里面的sockid号;DOMAIN_FLAG叫域标记，在C里相当于af--address family,地址族。地址族和域是一个概念，其实就是平常所说的域。UNIX支持的域类型有

AF-UNIX; UNIX内部地址

AF-INET; TCP/IP地址

AF-NS; Xerox NS地址

AF-APPLETALK; Apple的Appletalk地址

而dos/windows支持的域地址族只有AF-INET.所以大部分的socket编程都只用到它。

connectType(c里的type)就是前面所说的三种socket类型。num相当于c里面的protocol那大家一看就明白了这是协议号，用来指定SOCKET请求所希望的协议，这个参数不一定起作用，当前两个参数可以确定协议时可以取值为零。

所以，一个完整的PERL的建立socket如下

socket(THESCK,AF-INET,SOCKET_STREAM,getprotocolbyname('tcp'));

#c语言: int sockid;

# sockid = socket(AF-INET,SOCKET_STREAM,0);

第二步了:bind()--绑定到本地地址。

第一步socket()调用只是指定了相关五元组的协议元。其他四元需要别的调用来补充。socket的创建可以认为创建了一个名字空间(地址族)，但他没有被命名。bind()将套接字地址与本机创建的套接字句柄(c里面的套接字号)绑定,即将名字赋予套接字(句柄),以指定本地半相关。按照标准的socket来说(在UNIX世界里所谓编程的"标准接口"就和说"c的编程接口"没啥区别)，套接字地址是一个描述socket地址的数据结构。其中描述TCP/IP协议地址(AF_INET)的结构为:

struct sockaddr_in{

short sin_family; //AF_INET

u_short sin_port; //16位端口号,网络字节顺序

struct in_addr sin_addr; //32位IP地址,网络字节顺序

char sin_zero[8]; //保留

}

其他的结构还有 sockaddr_ns,sockaddr_un等，是用在其他协议地址的。基本上我们用不到。于是一个标准绑定为：

bind(SOCKET sockid,struct * localaddr_name,int addrlen);

//sockid是一个未命名套接字的socket号

//localaddr_name是用来命名sockid的指向sockaddr_in结构的指针

//addrlen是localaddr_name的字节长度

使用perl的bind()时先要调用inet_aton('localhost');或函数 INADDR_ANY 取得ip地址字符串，然后调用

$localaddr_port = sockaddr_in($port,inet_aton('localhost')); #$port是端口号

或者是 $localaddr_port = sockaddr_in($port,INADDR_ANY); 获得TCP/IP的地址,最后bind(SERVER,$localaddr_port);

完成绑定！在这里不用指定$localaddr_port的字节长度,这就是perl的好处。

这两个系统调用用于完成一个全相关的建立,其中connect()用于建立连接。accept()使服务器等待来自某客户进程的实际连接。其调用格式如下

connect(SOCKET sockid,struct sockaddr* destaddr,int addrlen);

//sockid是欲建立连接的本地socket号

//destaddr是一个指向对方socket地址(信宿地址)结构的指针

//addrlen是对方socket地址长度

perl语言的connect()调用格式为：

connect(SOC_VARIABLE,NAME_VARIABLE)

具体的调用过程如下

$remoteaddr_port = sockaddr_in($port,inet_aton('abc.efg.com'));

connect(CLIENT,$remoteaddr_port); #半相关三元组（协议，远地地址，远地端口号）。

可以发现connect()和bind()调用如出一辙，只是SERVER换成CLIENT,local换成remote,没错，他们的道理是一样的，作用是互补的。他们各自建立了服务器和客户机方面的半相关。这时就要accept()来掺和一下一个完整的网间进程通信的全相关就可以建立啦！(其实标准connect()还可以用于无连接的socket调用。但这个用法比较左道,常把人搞晕点，所以就不说了)

标准accept()调用：

SOCKET newsock = accept(SOCKET sockid,struct sockaddr* clientaddr,int addlen)

//sockid ,服务器本地的socket号

//clientaddr ,指向客户socket结构的指针。它的初始值为空

//addlen ,客户socket结构的字节长度,它的初始值为0

//newsock ,accept()的返回值，为一个新的socket号，可用于服务器 //处理并发请求。服务器fork一个子服务器进程，利用此socket号回

//答accept()所接收的客户请求

可以看出，accept()是面向连接的服务器端的调用。他还将客户端的socket地址及其字节长度放在clientaddr和addlen以便为其他无连接的调用指定信宿地址。但是，那些比较灵活但没有原则的无连接用法在perl里是没有的，perl的用法认为socket必须是面向连接的,请看perl里的accept()：

accept(NEW_SOC_VARIABLE,CURRENT_SOC_VARIABLE);

可以看到accept()从当前的socket句柄上连接出一个客户端到新的socket句柄。而它的返回值客户端的地址(信宿地址)。其实连接一旦建立，服务方无须知道信宿地址，只要向套口里灌输比特流就行了。这样做的好处是使协议对于应用程序更加透明，易于理解。

在调用accept()之前还应该先调用listen(),listen()的作用是侦听端口，接收连接。如果不调用listen()的话，accept()将无法从当前socket"接"回与客户端的连接。标准listen():

listen(sockid,quelen);

//socket号，服务器愿意从它上面接收请求

//quelen,请求队列长度，listen()以此限制排队请求的个数

perl的listen():

listen(SOC_VARIABLE,num);#和C语言的版本很像哦

SOC_VARIABLE是socket句柄,num是请求队列长度.

到这里为止，一个连接的五元组都齐了。