套接字通信（TCP和UDP）

第一部分：知识备忘

1、进程间通信方式

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、socket及接口函数

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。”

socket()函数

1、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：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、bind()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 struct sockaddr *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 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。

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、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。

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(int sockfd, struct sockaddr *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struct sockaddr *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。

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：

 1        #include <unistd.h>
 2
 3        ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
 4        ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
 5
 6        #include <sys/types.h>
 7        #include <sys/socket.h>
 8
 9        ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
10        ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
11
12        ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
13                       const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
14        ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
15                         struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
16
17        ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
18        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，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。

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。

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。

第二部分：代码展示

1、简单的单tcp通信实例

服务端

 1 /************************************************************************/
 2 /* 服务端源代码 tcpserver.cpp                                                                     */
 3 /************************************************************************/
 4 #include <stdio.h>
 5 #include<stdlib.h>
 6 #include <iostream>
 7 #include<string.h>
 8 #include <sys/socket.h>
 9 #include<sys/types.h>
10 #include<unistd.h>
11 #include<netinet/in.h>
12 #include<errno.h>
13 #define  PORT 3375
14 #define  LENTH 1024
15 int main(int argc,char **argv)
16 {
17     int server_sockfd, client_sockfd;
18     int addrlen;
19     struct sockaddr_in server_addr;
20     struct sockaddr_in client_addr;
21     char recvline[LENTH], sendline[LENTH];
22     server_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
23     if (server_sockfd==-1)
24     {
25         perror("server_sockfd");
26         return -1;
27     }
28     memset(&server_addr,0,sizeof(server_addr));
29     server_addr.sin_family = AF_INET;
30     server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
31     server_addr.sin_port = htons(PORT);
32     int bind_result = bind(server_sockfd,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
33     if (bind_result==-1)
34     {
35         perror("bind");
36         return -1;
37     }
38     int listen_result = listen(server_sockfd,5);
39     if (listen_result==-1)
40     {
41         perror("listen");
42         return -1;
43     }
44     printf("listen the port");
45     while (1)
46     {
47         addrlen = sizeof(struct sockaddr);
48         client_sockfd = accept(server_sockfd,(struct sockaddr*)&client_addr,(socklen_t*)&addrlen);
49         if (client_sockfd==-1)
50         {
51             perror("accept");
52             return -1;
53         }
54         while (1)
55         {
56             printf("waiting for client...\n");
57             int recv_len = recv(client_sockfd,recvline,LENTH,0);
58             if (recv_len==-1)
59             {
60                 perror("recv");
61                 return -1;
62             }
63             printf("recv data is :%s\n",recvline);
64             printf("input your words:\n");
65             scanf("%s",sendline);
66             int send_len=send(client_sockfd,sendline,strlen(sendline),0);
67             if (send_len==-1)
68             {
69                 perror("send");
70                 return -1;
71             }
72         }
73         close(client_sockfd);
74     }
75     close(server_sockfd);
76     return 0;
77 }

客户端

 1 #include <iostream>
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <stdlib.h>
 4 #include <sys/socket.h>
 5 #include <sys/types.h>
 6 #include <arpa/inet.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <unistd.h>
 9 #include <netinet/in.h>
10 #define  PORT 3375
11 #define  LENTH 1024
12 int main(int argc,char **argv)
13 {
14     int sockfd;
15     struct sockaddr_in addr_server;
16     char sendline[LENTH],recvline[LENTH];
17     sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
18     if (sockfd==-1)
19     {
20         perror("socket");
21         return -1;
22     }
23     memset(&addr_server,0,sizeof(addr_server));
24     addr_server.sin_family = AF_INET;
25     addr_server.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.7.22");
26     addr_server.sin_port = htons(PORT);
27     int connect_result = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr_server,sizeof(addr_server));
28     if (connect_result==-1)
29     {
30         perror("connect");
31         return -1;
32     }
33     printf("connect with server...\n");
34     while (1)
35     {
36         printf("input your words:\n");
37         scanf("%s",&sendline);
38         int send_result=send(sockfd,sendline,sizeof(sendline),0);
39         if (send_result==-1)
40         {
41             perror("send");
42             return -1;
43         }
44         printf("waitint for server...\n");
45         int recv_result = recv(sockfd,recvline,sizeof(recvline),0);
46         if (recv_result==-1)
47         {
48             perror("recv");
49             return -1;
50         }
51         printf("recv data is:%s\n",recvline);
52         memset(recvline,0,sizeof(recvline));
53     }
54     return 0;
55 }

效果展示：