Linux Socket编程(不限Linux)

 “一切皆Socket!”

话虽些许夸张,但是事实也是,现在的网络编程几乎都是用的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,那网络中进程之间如何通信,如我们每天打开浏览器浏览网页时,浏览器的进程怎么与web服务器通信的?当你用QQ聊天时,QQ进程怎么与服务器或你好友所在的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。本文的主要内容如下:

1、网络中进程之间如何通信?

本地的进程间通信(IPC)有很多种方式,但可以总结为下面4类:

•消息传递(管道、FIFO、消息队列)

•同步(互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量)

•共享内存(匿名的和具名的)

•远程过程调用(Solaris门和Sun RPC)

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如何通信?首要解决的问题是如何唯一标识一个进程,否则通信无从谈起!在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程,但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题,网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机,而传输层的“协议+端口”可以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,端口)就可以标识网络的进程了,网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口: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。就目前而言,几乎所有的应用程序都是采用socket,而现在又是网络时代,网络中进程通信是无处不在,这就是我为什么说“一切皆socket”。

2、什么是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基本哲学之一就是“一切皆文件”,都可以用“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日发布的文献IETF RFC33中发现的,撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根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,而一个连接可完全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。”

3socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现,那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面以TCP为例,介绍几个基本的socket接口函数。

3.1socket()函数

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

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

正如可以给fopen的传入不同参数值,以打开不同的文件。创建socket的时候,也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符,socket函数的三个参数分别为:

•domain:即协议域,又称为协议族(family)。

常用的协议族有,AF_INET、AF_INET6、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(socket的类型有哪些?)。

•protocol:故名思意,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(这个协议我将会单独开篇讨论!)。

注意

a、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。

b、当protocol为0时,会自动选择type类型对应的默认协议

c、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。

3.2bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给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

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

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。

•addr:一个const structsockaddr *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,如ipv4对应的是:

structsockaddr_in {

sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */

in_port_t      sin_port;     /* port in network byte order */

structin_addr sin_addr;   /* internet address */

};

/* Internet address. */

structin_addr {

uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */

};
ipv6对应的是:

structsockaddr_in6 {

sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */

in_port_t       sin6_port;     /* port number */

uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */

structin6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */

uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */

};

structin6_addr {

unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */

};

Unix域对应的是:

#define UNIX_PATH_MAX    108

        structsockaddr_un {

             sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */

             char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */

};

l  addrlen:对应的是地址的长度

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。

 网络字节序与主机字节序

主机字节序就是我们平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的定义如下:

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值以下面的次序传输:首先是0~7bit,其次8~15bit,然后16~23bit,最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序,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。由于这个问题曾引发过血案!公司项目代码中由于存在这个问题,导致了很多莫名其妙的问题,所以请谨记对主机字节序不要做任何假定,务必将其转化为网络字节序再赋给socket。
3.3、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 structsockaddr *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。

3.4accept()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()之后就想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(intsockfd, structsockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字,第二个参数为指向structsockaddr *的指针,用于返回客户端的协议地址,第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功,那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字,代表与返回客户的TCP连接

注意:accept的第一个参数为服务器的socket描述字,是服务器开始调用socket()函数生成的,称为监听socket描述字;而accept函数返回的是已连接的socket描述字。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。

3.5、read()、write()等函数

万事具备只欠东风,至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络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操作有下面几组:

•read()/write()

•recv()/send()

•readv()/writev()

•recvmsg()/sendmsg()

•recvfrom()/sendto()

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数,这两个函数是最通用的I/O函数,实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下:

#include <unistd.h>

 

ssize_t read(intfd, void*buf, size_t count);

ssize_t write(intfd, const void*buf, size_t count);

 

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

 

ssize_t send(intsockfd, const void*buf, size_t len, intflags);

ssize_t recv(intsockfd, void*buf, size_t len, intflags);

 

ssize_t sendto(intsockfd, const void*buf, size_t len, intflags,const structsockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

ssize_t recvfrom(intsockfd, void*buf, size_t len, intflags,structsockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

 

ssize_t sendmsg(intsockfd, const structmsghdr *msg, intflags);

ssize_t recvmsg(intsockfd, structmsghdr *msg, intflags);

 

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,如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了,小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的,如果是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全部的数据。2)返回的值小于0,此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

 

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了,具体参见man文档或者baidu、Google,下面的例子中将使用到send/recv。

 

3.6、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(intfd);

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。

 

注意:close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1,只有当引用计数为0的时候,才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。
4socketTCP的三次握手建立连接详解

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”,即交换三个分组。大致流程如下:

 

•客户端向服务器发送一个SYN J

•服务器向客户端响应一个SYN K,并对SYN J进行确认ACK J+1

•客户端再想服务器发一个确认ACK K+1

只有就完了三次握手,但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢?请看下图:

连接时三次握手

图1、socket中发送的TCP三次握手

 

从图中可以看出,当客户端调用connect时,触发了连接请求,向服务器发送了SYN J包,这时connect进入阻塞状态;服务器监听到连接请求,即收到SYN J包,调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ,ACK J+1,这时accept进入阻塞状态;客户端收到服务器的SYN K ,ACK J+1之后,这时connect返回,并对SYN K进行确认;服务器收到ACK K+1时,accept返回,至此三次握手完毕,连接建立

总结:客户端的connect在三次握手的第二个次返回,而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

5socketTCP的四次握手释放连接详解

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。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程,请看下图:

关闭连接时的四次握手

图2、socket中发送的TCP四次握手

 

图示过程如下:

•某个应用进程首先调用close主动关闭连接,这时TCP发送一个FIN M;

•另一端接收到FIN M之后,执行被动关闭,对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程,因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据;

•一段时间之后,接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N;

•接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

长连接、短连接、同步异步、tcp/ip

 什么是长连接?

其实长连接是相对于通常的短连接而说的,也就是长时间保持客户端与服务端的连接状态。

通常的短连接操作步骤是:

连接-》数据传输-》关闭连接;

而长连接通常就是:

连接-》数据传输-》保持连接-》数据传输-》保持连接-》…………-》关闭连接;

这就要求长连接在没有数据通信时,定时发送数据包,以维持连接状态,短连接在没有数据传输时直接关闭就行了

什么时候用长连接,短连接?

长连接主要用于在少数客户端与服务端的频繁通信,因为这时候如果用短连接频繁通信常会发生Socket出错,并且频繁创建Socket连接也是对资源的浪费。

但是对于服务端来说,长连接也会耗费一定的资源,需要专门的线程(unix下可以用进程管理)来负责维护连接状态。

总之,长连接和短连接的选择要视情况而定。

一般在java上代码实现是

短连接:

run(){

read           //读取请求包

process     //处理

write         //应答处理结果

}

长连接:

run(){

while(NotEnd){

read

process

write

}

}

以下是关于长连接中的检测保持连接的心跳比喻

连接短连接只是一个概念性的问题,只要知道其概念,不是一个特殊的东西:

长连接:系统通讯连接建立后就一直保持。

短连接:只有系统需要相互发消息连接才建立(客户端发起),请求消息得到响应后连接关闭;

通讯实体间使用长连接,一般还需要定义心跳消息,定期发送来检测系统间链路是否异常,每隔一定时间发送一次心跳,如果一定次数没有收到心跳消息,这认为此连接出现问题,需要断开连接重新建立。

具体心跳消息的格式,以及发送间隔,以及多少次没有收到心跳就认为链路异常,以及数据部是否算作心跳消息(有的系统如果接收到数据包则会清除心跳计时器也就相当于系统中的数据包也算作心跳消息);这个需要两端进行协商。比如GSM常用的短消息中心和其他网络实体互连的SMPP协议,要求建立的就是长连接.

所以长短连接只是一个概念问题长短连接的socket,就是使用普通的socket函数,没有什么特殊的。

关于同步与异步

同步操作指上一个操作返回结果后才能发下一个操作的数据包

异步操作指先把所有的操作数据包发完后 再等待它们的返回结果

相比较看 异步操作速度快 特别是在每个包处理方法独立的情况下

异步操作一般提供两个端口,一个负责接收数据,一个负责发送数据

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长短的区别是我要搞清楚,见现在看而言,长连接占用资源,但是一般通信性能肯定是好,短省资源。另外一个很重要的区别就是,主动与被动,长连接是先主动建立一个连接,有数据就发送,没有就等,短连接则是如果有通信要求,被动的先建立一个连接,收发数据,断开。具体的好坏个人觉得还是需要编程实践才知道。应该说对与server和client的影响还是很大。

TCP/IP通信程序设计的丰富多样性 2

刚接触TCP/IP通信设计的人根据范例可以很快编出一个通信程序,据此一些人可能会认为TCP/IP编程很简单。其实不然,TCP/IP编程具有较为丰富的内容。其编程的丰富性主要体现在通信方式和报文格式的多样性上。

一、通信方式 

主要有以下三大类:

(一)SERVER/CLIENT方式

1.一个Client方连接一个Server方,或称点对点(peer to peer):

2.多个Client方连接一个Server方,这也是通常的并发服务器方式。

3.一个Client方连接多个Server方,这种方式很少见,主要用于一个客户向多个服务器发送请求情况。

(二)连接方式

1.长连接

Client方与Server方先建立通讯连接,连接建立后不断开,然后再进行报文发送和接收。这种方式下由于通讯连接一直存在,可以用下面命令查看连接是否建立:

netstat –f inet|grep 端口号。

此种方式常用于点对点通讯。

2.短连接

Client方与Server每进行一次报文收发交易时才进行通讯连接,交易完毕后立即断开连接。此种方式常用于一点对多点通讯,比如多个Client连接一个Server.

(三)发送接收方式

1.异步

报文发送和接收是分开的,相互独立的,互不影响。这种方式又分两种情况:

(1)异步双工:接收和发送在同一个程序中,有两个不同的子进程分别负责发送和接收

(2)异步单工:接收和发送是用两个不同的程序来完成。

2.同步

报文发送和接收是同步进行,既报文发送后等待接收返回报文。同步方式一般需要考虑超时问题,即报文发上去后不能无限等待,需要设定超时时间,超过该时间发送方不再等待读返回报文,直接通知超时返回。

实际通信方式是这三类通信方式的组合。比如一般书上提供的TCP/IP范例程序大都是同步短连接的SERVER/CLIENT程序。有的组合是基本不用的,比较常用的有价值的组合是以下几种:

同步短连接Server/Client

同步长连接Server/Client

异步短连接Server/Client

异步长连接双工Server/Client

异步长连接单工Server/Client

其中异步长连接双工是最为复杂的一种通信方式,有时候经常会出现在不同银行或不同城市之间的两套系统之间的通信。比如金卡工程。由于这几种通信方式比较固定,所以可以预先编制这几种通信方式的模板程序。

二.报文格式 

通信报文格式多样性更多,相应地就必须设计对应的读写报文的接收和发送报文函数。

(一)阻塞与非阻塞方式

1.非阻塞方式

读函数不停地进行读动作,如果没有报文接收到,等待一段时间后超时返回,这种情况一般需要指定超时时间。

2.阻塞方式

如果没有报文接收到,则读函数一直处于等待状态,直到有报文到达。

(二)循环读写方式

1.一次直接读写报文

在一次接收或发送报文动作中一次性不加分别地全部读取或全部发送报文字节。

2.不指定长度循环读写

这一般发生在短连接进程中,受网络路由等限制,一次较长的报文可能在网络传输过程中被分解成了好几个包。一次读取可能不能全部读完一次报文,这就需要循环读报文,直到读完为止。

3.带长度报文头循环读写

这种情况一般是在长连接进程中,由于在长连接中没有条件能够判断循环读写什么时候结束,所以必须要加长度报文头。读函数先是读取报文头的长度,再根据这个长度去读报文.实际情况中,报头的码制格式还经常不一样,如果是非ASCII码的报文头,还必须转换成ASCII,常见的报文头码制有:

(1)n个字节的ASCII码

(2)n个字节的BCD码

(3)n个字节的网络整型码

以上是几种比较典型的读写报文方式,可以与通信方式模板一起预先提供一些典型的API读写函数。当然在实际问题中,可能还必须编写与对方报文格式配套的读写API.

在实际情况中,往往需要把我们自己的系统与别人的系统进行连接,有了以上模板与API,可以说连接任何方式的通信程序都不存在问题

http://blog.csdn.net/madwenoma/article/details/6461161