套接字（socket）编程简介

现在的网络编程几乎都是用的socket。

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？下面介绍一下socket的相关概念和一些基本函数。

套接字概念

Socket本身有“插座”的意思，在Linux环境下，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，那么理所当然的，我们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。

在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。“IP地址+端口号”就对应一个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。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。

套接字通信原理如下图所示：

在网络通信中，套接字一定是成对出现的。一端的发送缓冲区对应对端的接收缓冲区。

TCP/IP协议最早在BSD UNIX上实现，为TCP/IP协议设计的应用层编程接口称为socket API。本文的主要内容是socket API，主要介绍TCP协议的函数接口，最后介绍UDP协议和UNIX Domain Socket的函数接口。

应用层通过传输层进行数据通信时，TCP和UDP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个 TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP／IP协议交互提供了称为**套接字(Socket )**的接口，区分不同应用程序进程间的网络通信和连接。

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用以下模式来操作

“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”

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。

生成套接字，主要有3个参数：通信的IP地址、使用的传输层协议(TCP或UDP)和使用的端口号。

Socket 原意是“插座”。通过将这3个参数结合起来，与一个“插座”Socket 绑定，应用层就可以和传输层通过套接字接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层，而socket所在位置如图，Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层

sockaddr数据结构

strcut sockaddr 很多网络编程函数诞生早于IPv4协议，那时候都使用的是sockaddr结构体,为了向前兼容，现在sockaddr退化成了（void *）的作用，传递一个地址给函数，至于这个函数是sockaddr_in还是sockaddr_in6，由地址族确定，然后函数内部再强制类型转化为所需的地址类型。

sockaddr数据结构：

struct sockaddr {sa_family_t sa_family;   //地址结构类型char sa_data[14];     //地址数据, 14 字节的协议地址，sa_data则包含该socket的IP地址和端口号
};/*说明：
在实际编程中，一般定义struct sockaddr_in  addr，
然后给各个成员赋值，传参数强制转换为struct sockaddr, 例如 (struct sockaddr *) &addr*/

IPv4: struct sockaddr_in (internet), 16个字节

struct sockaddr_in {__kernel_sa_family_t sin_family;      //地址结构类型,AF_INET__be16 sin_port;               //端口号struct in_addr sin_addr;          //IP地址/* Pad to size of `struct sockaddr'. */unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -sizeof (sa_family_t) -sizeof (in_port_t) -sizeof (struct in_addr)];
};//其中ip地址封装了32位的地址信息--对应点分十进制
struct in_addr {          __be32 s_addr;
};

IPv6: struct sockaddr_in6, 28个字节

struct sockaddr_in6 {unsigned short int sin6_family;     //地址结构类型,AF_INET6__be16 sin6_port;          //端口号__be32 sin6_flowinfo;        //流量信息struct in6_addr sin6_addr;     //IP地址__u32 sin6_scope_id;        //scope_id
};struct in6_addr {union {__u8 u6_addr8[16];__be16 u6_addr16[8];__be32 u6_addr32[4];} in6_u;   #define s6_addr      in6_u.u6_addr8#define s6_addr16         in6_u.u6_addr16#define s6_addr32        in6_u.u6_addr32
};

struct sockaddr_un, 110字节

#define UNIX_PATH_MAX 108struct sockaddr_un {__kernel_sa_family_t sun_family;  /* AF_UNIX */char sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */
};

Pv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in结构体表示，包括16位端口号和32位IP地址，IPv6地址用sockaddr_in6结构体表示，包括16位端口号、128位IP地址和一些控制字段。UNIX Domain Socket的地址格式定义在sys/un.h中，用sock-addr_un结构体表示。各种socket地址结构体的开头都是相同的，前16位表示整个结构体的长度（并不是所有UNIX的实现都有长度字段，如Linux就没有），后16位表示地址类型。IPv4、IPv6和Unix Domain Socket的地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX。这样，只要取得某种sockaddr结构体的首地址，不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体，就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容。因此，socket API可以接受各种类型的sockaddr结构体指针做参数，例如bind、accept、connect等函数，这些函数的参数应该设计成void *类型以便接受各种类型的指针，**但是sock API的实现早于ANSI C标准化，那时还没有void 类型，因此这些函数的参数都用struct sockaddr 类型表示，在传递参数之前要强制类型转换一下，例如：

struct sockaddr_in servaddr;bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));    /* initialize servaddr */

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：网络数据流的地址应这样规定：先发出的数据是低地址，后发出的数据是高地址。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。

字节顺序转换函数

头文件：#include <arpa/inet.h>

·htonl()：把32位值从主机字节序转换成网络字节序
·htons()：把16位值从主机字节序转换成网络字节序
·ntohl()：把32位值从网络字节序转换成主机字节序
·ntohs()：把16位值从网络字节序转换成主机字节序

1. uint32_t htonl(uint32_t hostint32);

功能：

将 32 位主机字节序数据转换成网络字节序数据

参数：

hostint32：需要转换的 32 位主机字节序数据，uint32_t 为 32 为无符号整型

返回值：

成功：返回网络字节序的值

2. uint16_t htons(uint16_t hostint16);

功能：

将 16 位主机字节序数据转换成网络字节序数据

参数：

hostint16：需要转换的 16 位主机字节序数据，uint16_t，unsigned short int

返回值：

成功：返回网络字节序的值

3. uint32_t ntohl(uint32_t netint32);

功能：

将 32 位网络字节序数据转换成主机字节序数据

参数：

netint32：待转换的 32 位网络字节序数据，uint32_t，unsigned int

返回值：

成功：返回主机字节序的值

4. uint16_t ntohs(uint16_t netint16);

功能：

将 16 位网络字节序数据转换成主机字节序数据

参数：

netint16：待转换的 16 位网络字节序数据，uint16_t，unsigned short int

返回值：

成功：返回主机字节序的

IP地址转换

头文件：

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <arpa/inet.h>

1. int inet_pton(int family, const char *strptr, void *addrptr);

功能：

将点分十进制数串转换成 32 位无符号整数

参数：

family：协议族( AF_INET、AF_INET6、PF_PACKET 等 )，常用 AF_INET

strptr：点分十进制数串

addrptr：32 位无符号整数的地址

返回值：

成功返回 1 、失败返回其它

2. const char *inet_ntop( int family, const void *addrptr, char *strptr, size_t len );

功能：

将 32 位无符号整数转换成点分十进制数串

参数：

family：协议族( AF_INET、AF_INET6、PF_PACKET 等 )，常用 AF_INET

addrptr：32 位无符号整数

strptr：点分十进制数串

len：strptr 缓存区长度

len 的宏定义

#define INET_ADDRSTRLEN 16 // for ipv4

#define INET6_ADDRSTRLEN 46 // for ipv6

返回值：

成功：则返回字符串的首地址

失败：返回 NULL

3. in_addr_t inet_addr(const char * cp)

inet_addr函数转换网络主机地址（如192.168.1.10)为网络字节序二进制值，如果参数char *cp无效，函数返回-1(INADDR_NONE),这个函数在处理地址为255.255.255.255时也返回－1,255.255.255.255是一个有效的地址，不过inet_addr无法处理

4. char *inet_ntoa(struct in_addr in)

inet_ntoa 函数转换网络字节排序的地址为标准的ASCII以点分开的地址,该函数返回指向点分开的字符串地址的指针，该字符串的空间为静态分配的，这意味着在第二次调用该函数时，上一次调用将会被重写（复盖）

应用举例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h> int a = 0x01020304;
short int b = 0x0102;
printf("htonl(0x%08x) = 0x%08x\n", a, htonl(a));
printf("htons(0x%04x) = 0x%04x\n", b, htons(b));char ip_str[]="172.20.223.75";
unsigned int ip_uint = 0;
unsigned charchar *ip_p = NULL;
inet_pton(AF_INET,ip_str,&ip_uint);
printf("in_uint = %d\n",ip_uint); unsigned char ip[] = {172,20,223,75};
char ip_str[16] = "NULL";
inet_ntop(AF_INET,(unsigned intint *)ip,ip_str,16);
printf("ip_str = %s\n",ip_str); strcut sockaddr_in  add;
add.sin_addr.s_addr  = inet_addr("*.*.*.*"); //构建网络地址。
printf("ip is %s\n",inet_ntoa(add.sin_addr)); char *add1,add2;
src.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.123");
add1 =inet_ntoa(src.sin_addr);
src.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.124");
add2 = inet_ntoa(src.sin_addr);

总结：

struct sockaddr是通用的套接字地址，而struct sockaddr_in则是internet环境下套接字的地址形式。这两个结构体一样大，都是16个字节，而且都有family属性，不同的是：

sockaddr用其余14个字节来表示sa_data，而sockaddr_in把14个字节拆分成sin_port, sin_addr和sin_zero

分别表示端口、ip地址。sin_zero用来填充字节使sockaddr_in和sockaddr保持一样大小。

sockaddr和sockaddr_in包含的数据都是一样的，但他们在使用上有区别：

程序员不应操作sockaddr，需要把sockaddr_in结构强制转换成sockaddr结构再传入系统调用函数中，sockaddr是给操作系统用的

程序员应使用sockaddr_in来表示地址，sockaddr_in区分了地址和端口，使用更方便

字的地址形式。这两个结构体一样大，都是16个字节，而且都有family属性，不同的是：

sockaddr用其余14个字节来表示sa_data，而sockaddr_in把14个字节拆分成sin_port, sin_addr和sin_zero

分别表示端口、ip地址。sin_zero用来填充字节使sockaddr_in和sockaddr保持一样大小。

sockaddr和sockaddr_in包含的数据都是一样的，但他们在使用上有区别：

程序员不应操作sockaddr，需要把sockaddr_in结构强制转换成sockaddr结构再传入系统调用函数中，sockaddr是给操作系统用的

程序员应使用sockaddr_in来表示地址，sockaddr_in区分了地址和端口，使用更方便