Socket（套接字）详解画图+实例

Socket概念

Socket本意为“插座”，在Linux下，用于表示进程间网络通信的特殊文件类型，本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。
既然是文件，那肯定就可以使用文件描述符引用套接字。与管道类似的，Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口，使得读写套接字和读写文件的操作一致。区别是管道主要应用于本地进程间通信，而套接字多应用于网络进程间数据的传递。对于管道缓冲区，读端和写端的文件描述符分别指向缓冲区的两端，该缓冲区的工作是单向半双工的，从一端写，另一端读。而套接字缓冲区，一个文件描述符指向两个缓冲区，两端都可以读和写，这样才能实现双向全双工通信方式。
套接字的通信原理简单示意图如下，左端通过文件描述符将数据写入发送端缓冲区，右端从接受端缓冲区接受数据，也可以是左端读数据，右端写数据。左右的缓冲区之间就是通过套接字连接。可以看出，socket在通信过程中一定是成对出现（接受端socket和发送端socket）。
在这里插入图片描述
IP地址：在网络环境中唯一标识一台主机
端口号：在主机中唯一标识一个进程
IP+端口号：在网络环境中唯一标识一个进程，对应一个socket，欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接，因此就可以用socket来描述网络连接的一对一关系。

网络字节序

内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分，网络数据流同样有大小端之分，网络数据流的地址这样规定：先发出的数据是低地址，后发出的数据是高地址。
大端存储：即数据的高字节存储在低地址处，低字节存储在高字节处
小段存储：即数据的低字节存储在底地址处，高字节存储在高地址处
如何测试电脑的大小端存储
网络字节顺序是TCP/IP中规定好的一种数据表示格式，它与具体的CPU类型、操作系统等无关，从而可以保证数据在不同主机之间传输时能够被正确解释。
TCP/IP协议规定，网络数据流（网络字节顺序）采用大端字节序，即低地址存高字节。那如果接受端主机或者发送端主机采用的是小端字节序，就要做相应的网络字节序和主机字节序之间的转换。需要使用的函数为:htonl、htons、ntohl、ntohs。

IP地址转换

一般我们习惯用点分十进制表示IP，但是数据在网络中传输就要将其转换为TCP/IP中规定好的一种数据表示格式（网络字节顺序），这时就用到inet_pton函数，相反，网络字节序转换成用点分十进制表示的IP，用inet_ntop函数。

sockaddr_in数据结构

命令 man 7 ip可以查看到sockaddr_in的数据结构

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 */
};

sin_family：协议类型，IPV4还是IPV6
sin_port：端口号
sin_addr：IP地址

Socket函数

（1）socket函数：创建套接字
#include <sys/socket.h>
int socket(int af, int type, int protocol);
成功返回指向该套接字的文件描述符，失败返回-1
af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet”的简写。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
type 为数据传输方式/套接字类型，常用的有 SOCK_STREAM（流格式套接字/面向连接的套接字，如TCP）和 SOCK_DGRAM（数据报套接字/无连接的套接字，如UDP）。
protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。
（2）bind函数：绑定IP和端口号（struct sockaddr_in addr 初始化）
#include<sys/socket.h>
#include<sys/type.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr * my_addr, socklen_t addrlen);
成功返回0，失败返回-1
sockfd 表示已经建立的socket编号（描述符）。
my_addr 是一个指向sockaddr结构体类型的指针。
addrlen表示my_addr结构的长度，可以用sizeof操作符获得。
（3）listen函数：指定同时支持的最大连接数
#include <sys/socket.h>
int listen( int sockfd, int backlog);
成功返回0，失败返回-1
sockfd表示文件描述符
backlog表示排队建立3次握手队列和刚刚建立3次握手队列的连接数之和
（4）accept函数：接受连接请求
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
成功返回一个新的socket文件描述符，用来和客户端通信，失败返回-1
sockfd表示文件描述符。
addr为传出参数，返回链接客户端地址信息，含IP地址和端口号。
addrlen为传入传出参数，传入sezeof（addr）的大小，函数返回时返回真正接受到地址结构体的大小。
（5）connect函数：建立与指定socket的连接
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
成功返回0，失败返回-1
s表示socket文件描述符。
addr为传入参数，指定服务器端地址信息，含IP地址和端口号
addrlen为传入参数，传入sezeof（addr）的大小

Socket模型创建流程图

对于客户端来说不需要调用bind函数，因为没有调用bind函数，操作系统会自动分配一个IP和端口号，但是服务器端不能使用随机分配的，比如，学生上课，教室必须指定固定的一间，否则学生无法找到，但是学生的地址是随机的。
在这里插入图片描述

Server端实现

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <arpa/inet.h>#define SERV_PORT 6666 //这里需要定义大点的端口号防止和系统已使用的冲突
int main(void){int lfd, cfd;struct sockaddr_in serv_addr, clie_addr;socklen_t clie_addr_len;char buf[BUFSIZ];int n, i;lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);//主机字节序转网络字节序serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//INADDR_ANY是数字类型的IPbind(lfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));listen(lfd, 128);//128为默认的上限值clie_addr_len = sizeof(clie_addr);cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&clie_addr, &clie_addr_len);while(1){n = read(cfd, buf, sizeof(buf));for (i = 0; i < n; i++){buf[i] = toupper(buf[i]);}write(cfd, buf, n);}close(lfd);close(cfd);return 0;
}

编译：gcc socket_server.c -Wall -g
执行：./a.out

用nc命令测试 nc 127.0.0.1 6666
在这里插入图片描述

Client端实现

#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <arpa/inet.h>#define SERV_IP "127.0.0.1"
#define SERV_PORT 6666 //这里需要定义大点的端口号防止和系统已使用的冲突
int main(void){int cfd;struct sockaddr_in serv_addr;socklen_t serv_addr_len;char buf[BUFSIZ];int n;cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);//主机字节序转网络字节序inet_pton(AF_INET, SERV_IP, &serv_addr.sin_addr.s_addr);connect(cfd, (struct socketaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));while(1){fgets(buf, sizeof(buf),stdin);write(cfd,buf,strlen(buf));n = read(cfd,buf,sizeof(buf));write(STDOUT_FILENO, buf, n);}return 0;
}

总结

在server端，socket函数只是创建了套接字，并没有完成两个进程间通信，而是accept函数完成这件事，它返回一个套接字sfd，是一个文件描述符索引，read读sfd指向的缓冲区中的数据，write往sfd指向的缓冲区中写数据。在client端，通过fgets从标准输入缓冲区中读数据，然后通过write写到cfd指向的缓冲区中，然后通过IP+Port就能找到服务器端，服务器端的read就能读取到数据。详细描述为以下10个步骤：
在这里插入图片描述
注：该博文只是为了理解socket原理，所以代码中没有加函数返回正确或失败判断，实际编程中需要加上