socket原理及实现

本文摘抄自：https://blog.csdn.net/pashanhu6402/article/details/96428887

https://blog.csdn.net/liuyueyue0921/article/details/47830517

https://blog.csdn.net/weixin_38534337/article/details/84316251

1、什么是TCP/IP、UDP？

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。如下图

2、Socket在哪里呢？

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，如下图。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

3、Socket通信流程

socket通信流程如下图

先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

4、网络中进程之间如何通信？

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。网络中的进程是通过socket来通信的。

5、什么是Socket

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。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）。

socket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。”

6、socket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。

6.1、socket()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，它是面向网络的、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址，它是基于文件的。
type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM（面向连接可靠方式，比如TCP）、SOCK_DGRAM（非面向连接的非可靠方式，比如UDP）、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。

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。

socket返回的值是一个文件描述符，SOCKET类型本身也是定义为int的，既然是文件描述符，那么在系统中都当作是文件来对待的，0,1,2分别表示标准输入、标准输出、标准错误。所以其他打开的文件描述符都会大于2, 错误时就返回 -1. 这里INVALID_SOCKET 也被定义为 -1 。

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。

6.2、setsockopt

setsockopt()函数，用于任意类型、任意状态套接口的设置选项值。

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,const void *optval, socklen_t optlen);

sockfd：标识一个套接口的描述字。
level：选项定义的层次；支持SOL_SOCKET、IPPROTO_TCP、IPPROTO_IP和IPPROTO_IPV6。
optname：需设置的选项。
optval：指针，指向存放选项待设置的新值的缓冲区。
optlen：optval缓冲区长度。

int nEnabled = 1;
::setsockopt(socket_, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,
reinterpret_cast<const char*>(&nEnabled), sizeof(nEnabled));

SO_REUSEADDR是一个可以被设置的选项，一般来说，一个端口释放后会等待两分钟之后才能再被使用，SO_REUSEADDR是让端口释放后立即就可以被再次使用。SO_REUSEADDR用于对TCP套接字处于TIME_WAIT状态下的socket，才可以重复绑定使用。server程序总是应该在调用bind()之前设置SO_REUSEADDR套接字选项。TCP，先调用close()的一方会进入TIME_WAIT状态

SO_REUSEADDR可以用在以下四种情况下： (摘自《Unix网络编程》卷一，即UNPv1)
1、当有一个有相同本地地址和端口的socket1处于TIME_WAIT状态时，而你启动的程序的socket2要占用该地址和端口，你的程序就要用到该选项。
2、SO_REUSEADDR允许同一port上启动同一服务器的多个实例(多个进程)。但每个实例绑定的IP地址是不能相同的。在有多块网卡或用IP Alias技术的机器可
以测试这种情况。
3、SO_REUSEADDR允许单个进程绑定相同的端口到多个socket上，但每个socket绑定的ip地址不同。这和2很相似，区别请看UNPv1。
4、SO_REUSEADDR允许完全相同的地址和端口的重复绑定。但这只用于UDP的多播，不用于TCP。

6.3、bind()函数

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; in_port_t      sin_port;   struct in_addr sin_addr;
};struct in_addr {uint32_t       s_addr;
};

ipv6对应的是：

struct sockaddr_in6 { sa_family_t     sin6_family;    in_port_t       sin6_port;      uint32_t        sin6_flowinfo;  struct in6_addr sin6_addr;      uint32_t        sin6_scope_id;
};struct in6_addr { unsigned char   s6_addr[16];
};

Unix域对应的是：

#define UNIX_PATH_MAX    108struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family;                char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];
};

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。

6.4、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。

6.5、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。

6.6、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 ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);#include #include 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);

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。

6.7、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
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。

6.8、网络字节序、主机字节序、点分十进制串

6.8.1 、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。

6.8.2、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。

6.8.3、点分十进制串

就是我们通常用的ip地址格式： XXX.XXX.XXX.XXX

6.8.4、转换函数

6.8.4.1、htonl，inet_addr，ip地址主机字节序转换成网络字节序

假设ip地址为127 . 0 . 0 . 1 ，主机字节序转换成网络字节序的步骤：

第一步 127 . 0 . 0 . 1 把IP地址每一部分转换为8位的二进制数。
第二步 01111111 00000000 00000000 00000001 = 2130706433 （主机字节序）
然后把上面的四部分二进制数从右往左按部分重新排列，那就变为：
第三步 00000001 00000000 00000000 01111111 = 16777343 （网络字节序）

htonl是上述第二步到第三步的转换

inet_addr是上述第一步到第三步的转换

转换函数：htonl()，意思是：host to network，l是long的意思，头文件是：#include <arpa/inet.h>

下面两行代码实现的效果是一样的

addr.sin_addr.s_addr=htonl(2130706433);这句还可以写为：
addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(“127.0.0.1”); 结果是完全一样的。

addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

INADDR_ANY就是指定地址为0.0.0.0的地址，这个地址事实上表示不确定地址，或“所有地址”、“任意地址”。也就是表示本机的所有IP，因为有些机子不止一块网卡，多网卡的情况下，这个就表示所有网卡ip地址的意思。客户端connect时，不能使用INADDR_ANY选项。必须指明要连接哪个服务器IP。

6.8.4.2、htons，端口主机字节序转换成网络字节序

端口号其实就已经是主机字节序了，以6000端口为例，首先要把端口号写为16位的二进制数，分前8位和后8位。

第一步 00010111 01110000 = 6000 （主机字节序）
然后把主机字节序的前八位与后八位调换位置组成新的16位二进制数，这新的16位二进制数就是网络字节序的二进制表示了。
第二步 01110000 00010111 = 28695 （网络字节序）

下面两行代码实现的效果是一样的

addrSrv.sin_port=htons(6000);还可以写为
addrSrv.sin_port=28695;结果是一样的，

6.8.4.3、 ntohl，ntohs，网络字节序转换成端口主机字节序

与上面两个过程相反：

uint32_t  ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

6.8.4.4 、inet_pton点分十进制串转换成网络字节序

如同6.8.4.1中第一步到第三步，可用inet_addr，也可用inet_pton

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

下面三行代码效果一样

addr.sin_addr.s_addr=htonl(2130706433);
addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1",  (void *)&addr.sin_addr.s_addr);

6.8.4.5 、inet_ntop网络字节序转换成点分十进制串

const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

这个函数转换网络二进制结构到ASCII类型的地址，参数的作用和inet_pton相同，只是多了一个参数socklen_t cnt,他是所指向缓存区dst的大小，避免溢出，如果缓存区太小无法存储地址的值，则返回一个空指针，并将errno置为ENOSPC

struct sockaddr_in addr = {0};
socklen_t nSize = sizeof(addr);
NativeSocket client = ::accept(socket_, reinterpret_cast<sockaddr*>(&addr), &nSize);
if (client == INVALID_SOCKET) { return nullptr; }
char sTmp[64]; sTmp[0] = '\0'; sTmp[63] = '\0';
const char* sPeerAddress = inet_ntop(AF_INET, &addr.sin_addr, sTmp, 63);

7、socket中TCP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

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。

8、socket中TCP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：

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。

9、实现实例

2021/03/24编写

服务器端代码如下：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>typedef int NativeSocket;#ifndef SOCKET_ERROR
#define SOCKET_ERROR (-1)
#endif#ifndef INVALID_SOCKET
#define INVALID_SOCKET  static_cast<NativeSocket>(-1)
#endifint main(int argc, char** argv)
{//创建套节字int socket = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (socket == INVALID_SOCKET){std::cout << "Failed to create server socket." << std::endl;return -1;}//设置SO_REUSEADDR选项，使得端口释放后立即就可以被再次使用int nEnabled = 1;::setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,reinterpret_cast<const char*>(&nEnabled), sizeof(nEnabled));//绑定这个套节字到一个本地地址struct sockaddr_in addr = {0};addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);addr.sin_port = htons(9090);if (::bind(socket, reinterpret_cast<const sockaddr*>(&addr), sizeof(addr)) == SOCKET_ERROR) {printf("bind failed\n");return -1;}//进入监听模式if (::listen(socket, 5) == SOCKET_ERROR) {printf("listen failed\n");return -1;}int accepted = 0;int client_socket = -1;while(accepted == 0) {//接受客户的连接请求struct sockaddr_in addr = {0};socklen_t nSize = sizeof(addr);client_socket = ::accept(socket, reinterpret_cast<sockaddr*>(&addr), &nSize);if (client_socket == INVALID_SOCKET) {return -1;}char sTmp[64]; sTmp[0] = '\0'; sTmp[63] = '\0';const char* sPeerAddress = inet_ntop(AF_INET, &addr.sin_addr, sTmp, 63);std::cout << "client ip = " << sPeerAddress << std::endl;accepted ++;}char szText[256];while(true) {std::cin.getline(szText, 256);szText[255] = '\0';// 向客户端发送数据::send(client_socket, szText, strlen(szText), 0);// 从客户端接收数据 char buff[256] ;int nRecv = ::recv(client_socket, buff, 256, 0); if (nRecv > 0){buff[nRecv] = '\0';printf(" 接收到数据：%s\n", buff);}}// 关闭同客户端的连接::close(client_socket);// 关闭监听套节字::close(socket);return 0;
}

客户端代码：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <stdio.h>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>typedef int NativeSocket;#ifndef SOCKET_ERROR
#define SOCKET_ERROR (-1)
#endif#ifndef INVALID_SOCKET
#define INVALID_SOCKET  static_cast<NativeSocket>(-1)
#endifint main(int argc, char** argv)
{//创建套节字int socket = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (socket == INVALID_SOCKET){std::cout << "Failed to create client socket." << std::endl;return -1;}//连接serverstruct sockaddr_in addr = {0};addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("172.16.82.52");addr.sin_port = htons(9090);if(::connect(socket, reinterpret_cast<const sockaddr*>(&addr), sizeof(addr)) == SOCKET_ERROR) {printf(" Failed connect() \n");return 0; }char buff[256];char szText[256];while(true){//从服务器端接收数据int nRecv = ::recv(socket, buff, 256, 0);if(nRecv > 0){buff[nRecv] = '\0';printf("接收到数据：%s\n", buff);}// 向服务器端发送数据std::cin.getline(szText, 256);szText[255] = '\0';::send(socket, szText, strlen(szText), 0) ;}// 关闭套节字::close(socket);return 0;
}