socket网络编程基础

原创

mb5fdb1021b5992 2021-02-27 20:43:58 ©著作权

文章标签 Java 文章分类 Java 后端开发

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套接字 socket是操作系统内核的一个数据结构，它是网络中节点进行相互通信的门户。网络编程实际上也可以称作套接字编程。

套接字有3种类型：

流式套接字，即TCP套接字，用SOCK_STREAM表示
数据报套接字，即UDP套接字（或称无连接套接字），用SOCK_DGRAM表示
原始套接字，用SOCK_RAM表示

本文主要分析TCP套接字和UDP套接字。

套接字地址结构由网络地址和端口号组成，如下图：


graph TD;
    ip[10.92.20.160]--ip地址-->socket["套接字：10.92.20.160 &emsp;&emsp; 1500"]
    port[1500]--端口号-->socket

端口号概念

在网络技术中，端口大致有两种意思：一是物理意义上的端口，比如ADSL Modem、集线器、交换机、路由器等用于连接其它网络设备的接口，如RJ-45端口、SC端口等。二是逻辑意义上的端口，一般指TCP/IP协议中的端口，端口范围从0~65535，比如浏览器网页服务（HTTP协议）的80端口，用于FTP服务的21端口等。端口号只有本地意义，即端口号是为了标识本地计算机的各个进程。

端口号分为两类，一类是由因特网指派名字和号码公司ICANN负责分配给一些常用的应用程序固定使用的”周知的端口“，其数值一般为0~1024，如：

另一类则是一般端口号，用来随时分配给请求通信的客户线程。

TCP传输方式

TCP是一个面向连接的传输层协议，在数据发送之前（即进程通信之前)，必须先建立连接。通信完毕后，必须关闭连接。基于TCP传输协议的服务器与客户机间的通信工作流程如下图：

大致流程如下：

服务器先用socket()函数来建立一个套接字，用这个套接字完成通信的监听及数据的收发。
服务器用bind()函数来绑定一个端口号和IP地址，使套接字与指定的端口号和IP地址相关联。
服务器调用listen()函数，使服务器的这个端口和IP处于监听状态，等待网络中某一客户机的连接请求。
客户机用socket()函数建立一个套接字，设定远程IP和端口。
客户机调用connect()函数连接远程计算机指定的端口。
服务器调用accept()函数来接受远程计算机的连接请求，建立起与客户机之间的通信连接。
建立连接以后，客户机用write()函数（或close()函数）向socket中写入数据，也可以用read()函数（或recv()函数）读取服务器发来的数据。
服务器用read()函数（或recv()函数）读取客户机发来的数据，也可以用write()函数（或send()函数）来发送数据。
完成通信以后，使用close()函数关闭socket连接。

socket-TCP示例程序（win系统）

服务器端(serverTCP.cpp)

#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll

#define BUF_SIZE 100

int main()
{
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    //创建套接字
    SOCKET servSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//【socket】

    //绑定套接字
    sockaddr_in sockAddr;
    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充
    sockAddr.sin_family = PF_INET;  //使用IPv4地址
    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
    sockAddr.sin_port = htons(1234);  //端口
    bind(servSock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));//【bind】

    //进入监听状态
    listen(servSock, 20);//【listen】

    //接收客户端请求
    SOCKADDR clntAddr;
    int nSize = sizeof(SOCKADDR);
    char buffer[BUF_SIZE] = { 0 };  //缓冲区
    while (1) 
    {
        SOCKET clntSock = accept(servSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &nSize);//【accept】
        int strLen = recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0);  //接收客户端发来的数据 【recv】
        send(clntSock, buffer, strLen, 0);  //将数据原样返回【send】

        closesocket(clntSock);  //关闭套接字
        memset(buffer, 0, BUF_SIZE);  //重置缓冲区
    }

    //关闭套接字
    closesocket(servSock);

    //终止 DLL 的使用
    WSACleanup();

    return 0;
}

客户机端(clientTCP.cpp)

#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#include <windows.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll

#define BUF_SIZE 100

int main() {
    //初始化DLL
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    //向服务器发起请求
    sockaddr_in sockAddr;
    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充
    sockAddr.sin_family = PF_INET;
    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    sockAddr.sin_port = htons(1234);

    char bufSend[BUF_SIZE] = { 0 };
    char bufRecv[BUF_SIZE] = { 0 };

    while (1) 
    {
        //创建套接字
        SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);//【socket】
        connect(sock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));//【connect】
        //获取用户输入的字符串并发送给服务器
        printf("Input a string: ");
        gets_s(bufSend);
        send(sock, bufSend, strlen(bufSend), 0);//【send】
        //接收服务器传回的数据
        recv(sock, bufRecv, BUF_SIZE, 0);//【recv】
        //输出接收到的数据
        printf("Message form server: %s\n", bufRecv);

        memset(bufSend, 0, BUF_SIZE);  //重置缓冲区
        memset(bufRecv, 0, BUF_SIZE);  //重置缓冲区
        closesocket(sock);  //关闭套接字【close】
    }

    WSACleanup();  //终止使用 DLL
    return 0;
}

运行示例

两个程序可以在同一台电脑上运行，IP:127.0.0.1代表本机地址。先运行服务器端，当然是没有任何输出的。再运行客户机端，提示输入一些字符，输入后，回车，可以接收到同样字符的返回结果：


Input a string: hello
Message form server: hello
Input a string: HELLO
Message form server: HELLO
Input a string: ^C请按任意键继续. . .

UDP传输方式

不同于TCP协议，UDP是一个无连接的、不可靠服务的传输层协议，它不对数据进行确认、出错重传和排序等可靠性处理，但它却是具有代码小、实现简单那、速度快和系统开销小等优点。对于某些应用，使用UDP将带来更高的效率，如域名服务系统DNS、网络文件系统NFS等。

基于UDP传输协议的服务器与客户机间的通信工作流程如下图：

对比TCP套接字通信流程，区别在于：

使用TCP套接字必须先建立连接（如客户机进程的connect()，服务器进程的listen()和accept()）

而UDP套接字不需要先建立连接，它在调用socket()生成一个套接字后，在服务器端调用bind()绑定一个端口，然后服务器进程挂起于recvfrom()调用，等待并接收网络中某一客户机的数据请求。而客户端调用sendto()发送数据请求，同样也挂起于recvfrom()调用，等待并接收服务器的应答信号。

当数据传输完毕后，UDP套接字中的客户端调用close()释放通信链路，但不再发送“断开连接通知”信息来通知服务器端释放通信链路。

socket-UDP示例程序（win系统）

服务器端(serverUDP.cpp)


#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll
#define BUF_SIZE 100

int main() 
{
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    //创建套接字
    SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);//【socket】

    //绑定套接字
    sockaddr_in servAddr;
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));  //每个字节都用0填充
    servAddr.sin_family = PF_INET;  //使用IPv4地址
    servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //自动获取IP地址
    servAddr.sin_port = htons(1234);  //端口
    bind(sock, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(SOCKADDR));//【bind】

    //接收客户端请求
    SOCKADDR clntAddr;  //客户端地址信息
    int nSize = sizeof(SOCKADDR);
    char buffer[BUF_SIZE];  //缓冲区
    while (1)
    {
        int strLen = recvfrom(sock, buffer, BUF_SIZE, 0, &clntAddr, &nSize);//【recvfrom】
        sendto(sock, buffer, strLen, 0, &clntAddr, nSize);//【sento】
    }
    closesocket(sock);//【close】
    WSACleanup();

    return 0;
}

客户机端(clientUDP.cpp)

#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll
#define BUF_SIZE 100

int main() 
{
    //初始化DLL
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    //创建套接字
    SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);//【socket】

    //服务器地址信息
    sockaddr_in servAddr;
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));  //每个字节都用0填充
    servAddr.sin_family = PF_INET;
    servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    servAddr.sin_port = htons(1234);

    //不断获取用户输入并发送给服务器，然后接受服务器数据
    sockaddr fromAddr;
    int addrLen = sizeof(fromAddr);
    while (1) 
    {
        char buffer[BUF_SIZE] = { 0 };
        printf("Input a string: ");
        gets_s(buffer);
        sendto(sock, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr));//【sendto】
        int strLen = recvfrom(sock, buffer, BUF_SIZE, 0, &fromAddr, &addrLen);//【recvfrom】
        buffer[strLen] = 0;
        printf("Message form server: %s\n", buffer);
    }
    closesocket(sock);//【close】
    WSACleanup();

    return 0;
}

从代码中可以看出，server.cpp 中没有使用listen()函数，client.cpp 中也没有使用connect() 函数，因为 UDP 不需要连接。

运行示例

运行效果于TCP方式的效果一样，不再展示。

参考：

《精通Linux C编程》- 程国钢

http://c.biancheng.net/socket/