socket编程详解

前置知识

网络进程标识：ip地址，协议，端口。

TCP/IP是传输控制协议/网间协议。

TCP/IP协议存在于OS中，网络服务通过OS提供，在OS中增加支持TCP/IP的系统调用。

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。

Socket API

socket()函数

1	int socket(int protofamily, int typ, int protocol); //返回sockfd

该函数用于创建一个socket描述符，它唯一标识一个socket。其中三个参数分别如下：

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。当其为0时，会自动选择type对应的默认协议。
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：顾名思意，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。

注：protofamily与type不可随意组合。

bind()函数

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

该函数用来把一个特定地址赋给sockfd，如127.0.0.1:80。若未用该函数直接connect()，list()时系统会随机分配一个端口号。

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 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，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 */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* 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 */ 
};

addrlen：对应的是地址的长度。

list()、connect()函数

1 2	int list(int sockfd, int backlog); int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

list()函数用于服务器端侦听端口。

connect()函数用于客户端向服务器端发送连接请求。

accept()函数

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

该函数用于服务器端在list()之后接收请求，其中第二个参数addr用来接收返回值，返回值指向客户端地址。

注：accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回。

读写操作函数

#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);

这些函数用于接收和发送数据，不一一介绍，具体看man文档。

close()函数

1	int close(int fd);

该函数用于关闭连接。

注：close操作只是使用相应socket描述字的引用计数减1，只有当引用计数为0时，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

socket中TCP的建立

TCP协议通过三个报文段完成连接的建立，即三次握手：

第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。（SYN：同步序列编号）
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN，同时自己也发送一个SYN包，即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

TCP连接的终止

终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭造成的。

客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务器端的数据传送。
服务器端收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。
服务器端关闭与客户端的连接，发送一个FIN给客户端。
客户端发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

socket编程实例

C

服务器端

#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 BUFSIZE 4096
int main(int argc, char** argv){
	int socket_fd, connect_fd;
	struct sockaddr_in servaddr;
	char buf[BUFSIZE];
	int n;
	if( (socket_fd = 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(8000);
	
	if(bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
		printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno), errno);
		exit(0);
	}
	
	if(listen(socket_fd, 10) == -1){
		printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno), errno);
		exit(0);
	}
	printf("=====wait for connect====\n");
	while(1){
		if( (connect_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr*)NULL, NULL) ) == -1){
			printf("accept socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno), errno);
			continue;
		}
	
		n = recv(connect_fd, buf, BUFSIZE, 0);
	
		if(!fork()){
			if(send(connect_fd, "Hello, you are connect", 27, 0) == -1)
				perror("send_error");
			close(connect_fd);
			exit(0);
		}
	
		buf[n] = '\0';
		printf("you have recv msg: %s\n",buf);
		close(connect_fd);
	}
	close(socket_fd);
	return 0;
}

客户端

#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 BUFSIZE 4096

int main(int argc, char** argv){
	int socket_fd, n, rec_len;
	char sendline[BUFSIZE];
	char buf[BUFSIZE];
	struct sockaddr_in servaddr;
	if(argc < 2){
		printf("usage: ./client <ipaddress>");
		exit(0);
	}
	
	if( (socket_fd = 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(8000);
	if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){
		printf("inet_pton error for %s\n", argv[1]);
		exit(0);
	}
	
	if(connect(socket_fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr) ) < 0 ){
		printf("connect socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		exit(0);
	}
	
	printf("send msg to server: \n");
	fgets(sendline, BUFSIZE, stdin);
	if(send(socket_fd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0){
		printf("send msg error:%s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		exit(0);
	}
	
	if( (rec_len = recv(socket_fd, buf, BUFSIZE, 0) ) == -1 ){
		printf("recv msg error:%s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		exit(0);
	}
	buf[rec_len] = '\0';
	printf("Recvived : %s\n", buf);
	close(socket_fd);
	return 0;
}

python

服务器端

import socket
s = socket.socket()
host = socket.gethostname()
port = 8000
s.bind((host, port))

s.listen(5)
while True:
	c,addr = s.accept()
	print 'address',addr
	msg = "welcome to my service. \nif you want to exit, please input exit."
	while(True):
		c.send(msg)
		buf = c.recv(1024)
		if 'exit' in buf:
			c.close()
			break
		msg = "you have input: "+buf

客户端

import socket
import sys
s = socket.socket()
host = socket.gethostname()
port = 8000
s.connect((host, port))
print s.recv(1024)
while(True):
	buf = sys.stdin.readline()
	s.send(buf)
	print s.recv(1024)
	if 'exit' in buf:
		s.close()
		break

参考资料

Linux的SOCKET编程详解 - 江召伟 - 博客园 https://www.cnblogs.com/jiangzhaowei/p/8261174.html

Python 网络编程 | 菜鸟教程 https://www.runoob.com/python/python-socket.html