什么是Socket

Socket（套接字）是介于应用层和传输层之间（图1）的应用程序编程接口。多数应用程序是由通信进程对组成，每对中的两个进程互相发送报文，从一个进程向另一个进程发送的报文必须通过下面的网络。进程通过Socket（套接字）软件接口向网络发送报文和从网络接收报文。做个简单的类比，进程可类比于一座房子，而它的套接字可以类比于它的门。当一个进程向位于另外一台主机上的另一个进程发送报文时，它把报文推送出该门（套接字）。该发送进程假定该门到另外一侧之间有运输的基础设施，该设施将把报文传送到目的进程的门口。一旦该报文抵达目的主机，它通过进程的门（套接字）传递，然后接收进程对该报文进行处理。

图1

几种典型的Socket

1.Berkeley UNIX 操作系统定义了一种 API，称为套接字接口(socket interface)，简称套接字(socket)。

2.微软公司在其操作系统中采用了套接字接口 API，形成了一个稍有不同的 API，并称之为Windows Socket Interface，WINSOCK。

3.AT&T 为其 UNIX 系统 V 定义了一种 API，简写为 TLI (Transport Layer Interface)。

（本文以WINSOCK为例）

客户端Socket API函数

TCP客户端软件流程

1. 确定服务器IP地址与端口号

2. 创建套接字

3. 分配本地端点地址(IP地址+端口号)（此步骤由操作系统完成）

4. 连接服务器(套接字)

5. 遵循应用层协议进行通信

6. 关闭/释放连接

UDP客户端软件流程

1. 确定服务器IP地址与端口号

2. 创建套接字

3. 分配本地端点地址(IP地址+端口号)（此步骤由操作系统完成）

4. 指定服务器端点地址，构造UDP数据报

5. 遵循应用层协议进行通信

6. 关闭/释放套接字

使用Socket的应用程序在使用Socket之前必须首先调用WSAStartup函数初始化Windows Sockets API

int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);

其中第一个参数指明程序请求使用的WinSock版本，其中高位字节指明副版本、低位字节指明主版本，第二个参数返回实际的WinSock的版本信息

int WSACleanup (void);

应用程序在完成对请求的Socket库的使用，最后要调用WSACleanup函数解除与Socket库的绑定，释放Socket库所占用的系统资源

创建socket

socket sd = socket(protofamily,type,proto);

操作系统返回套接字描述符(sd)，其中第一个参数(协议族): protofamily = PF_INET(TCP/IP)，第二个参数(套接字类型):type = SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM or SOCK_RAW(TCP/IP)，第三个参数(协议号):0为默认

SOCKET sd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0); （TCP）

SOCKET sd=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0); （UDP）

图2

TCP:可靠、面向连接、字节流传输、点对点

UDP:不可靠、无连接、数据报传输

int bind(sd,localaddr,addrlen);

绑定套接字的本地端点地址，IP地址+端口号，客户程序一般不必调用bind函数

connect(sd,saddr,saddrlen);

客户程序调用connect函数来使客户套接字(sd)与特定计算机的特定端口(saddr)的套接字(服务)进行连接，connect函数仅用于客户端，可用于TCP客户端也可以用于UDP客户端。

TCP客户端:建立TCP连接

 UDP客户端:指定服务器端点地址

int closesocket(SOCKET sd);

关闭一个描述符为sd的套接字，如果多个进程共享一个套接字，调用closesocket将套接字引用计数减1，减至0才关闭。如果一个进程中的多线程对一个套接字的使用无计数，当进程中的一个线程调用closesocket将一个套接字关闭，该进程中的其他线程也将不能访问该套接字

服务端Socket API函数

服务端在创建完socket后也需要绑定本地地址，一般使用地址通配符:INADDR_ANY

int listen(sd,queuesize);

置服务器端的流套接字处于监听状态，仅服务器端调用面向TCP的scocket，设置连接请求队列大小(queuesize)

newsock = accept(sd,caddr,caddrlen);

服务程序调用accept函数从处于监听状态的流套接字sd的客户连接请求队列中取出排在最前的一个客户请求，并且创建一个新的套接字来与客户套接字创建连接通道

send(sd,*buf,len,flags);

sendto(sd,*buf,len,flags,destaddr,addrlen);

send函数用于TCP套接字(客户与服务器)或调用了connect函数的UDP客户端套接字。sendto函数用于UDP服务器端套接字与未调用connect函数的UDP客户端套接字

recv(sd,*buffer,len,flags);

recvfrom(sd,*buf,len,flags,senderaddr,saddrlen);

recv函数从TCP连接的另一端接收数据，或者从调用了connect函数的UDP客户端套接字接收服务器发来的数据。recvfrom函数用于从UDP服务器端套接字与未调用connect函数的UDP客户端套接字接收对端数据。

int setsockopt(int sd, int level, int optname, *optval, int optlen);

int getsockopt(int sd, int level, int optname, *optval, socklen_t *optlen);

setsockopt()函数用来设置套接字sd的选项参数。getsockopt()函数用于获取任意类型、任意状态套接口的选项当前值，并把结果存入optval。

网络字节顺序

1.TCP/IP定义了标准的用于协议头中的二进制整数表示:网络字节顺序(network byte order)

2.某些Socket API函数的参数需要存储为网络字节顺序(如IP地址、端口号等)

3.可以实现本地字节顺序与网络字节顺序间转换的函数

htons: 本地字节顺序→网络字节顺序(16bits)

ntohs: 网络字节顺序→本地字节顺序(16bits)

htonl: 本地字节顺序→网络字节顺序(32bits)

ntohl: 网络字节顺序→本地字节顺序(32bits)

网络应用的Socket API(TCP)调用基本流程

4种类型基本服务器

1.循环无连接(Iterative connectionless)服务器

2.循环面向连接(Iterative connection-oriented)服务器

3.并发无连接(Concurrent connectionless)服务器

4.并发面向连接(Concurrent connection-oriented)服务器

循环无连接服务器基本流程

1. 创建套接字

2. 绑定端点地址(INADDR_ANY+端口号)

3. 反复接收来自客户端的请求

4. 遵循应用层协议，构造响应报文，发送给客户

服务器端不能使用connect()函数，无连接服务器使用sendto()函数发送数据报

调用recvfrom()函数接收数据时，自动提取客户端点地址

循环面向连接服务器基本流程

1.创建(主)套接字，并绑定熟知端口号;

2.设置(主)套接字为被动监听模式，准备用于服务器;

3.调用accept()函数接收下一个连接请求(通过主套接字)，创建新套接字用于与该客户建立连接;

4.遵循应用层协议，反复接收客户请求，构造并发送响应(通过新套接字);

5.完成为特定客户服务后，关闭与该客户之间的连接，返回步骤3.

并发无连接服务器基本流程

主线程1: 创建套接字，并绑定熟知端口号;

主线程2: 反复调用recvfrom()函数，接收下一个 客户请求，并创建新线程处理该客户响应;

子线程1: 接收一个特定请求;

子线程2: 依据应用层协议构造响应报文，并调用sendto()发送;

子线程3: 退出(一个子线程处理一个请求后即终止)。

并发面向连接服务器基本流程

主线程1: 创建(主)套接字，并绑定熟知端口号;

主线程2: 设置(主)套接字为被动监听模式，准备用于服务器;

主线程3: 反复调用accept()函数接收下一个连接请求(通过主套接字)，并创建一个新 的子线程处理该客户响应;

子线程1: 接收一个客户的服务请求(通过新创建的套接字);

子线程2: 遵循应用层协议与特定客户进行交互;子线程3: 关闭/释放连接并退出(线程终止).