socket編程原理

1、socket編程原理 (chquan88之socket筆記二)socket編程原理 1 問題的引入 UNIX系統(tǒng)的I/O命令集，是從Maltics和早期系統(tǒng)中的命令演變出來的，其模式為打開一讀/寫一關(guān)閉（open-write-read-close）。在一個用戶進程進行I/O操作時，它首先調(diào)用“打開”獲得對指定文件或設備的使用權(quán)，并返回稱為文件描述符的整型數(shù)，以描述用戶在打開的文件或設備上進行I/O操作的進程。然后這個用戶進程多次調(diào)用“讀/寫”以傳輸數(shù)據(jù)。當所有的傳輸操作完成后，用戶進程關(guān)閉調(diào)用，通知操作系統(tǒng)已經(jīng)完成了對某對象的使用。  TCP/

2、IP協(xié)議被集成到UNIX內(nèi)核中時，相當于在UNIX系統(tǒng)引入了一種新型的I/O操作。UNIX用戶進程與網(wǎng)絡協(xié)議的交互作用比用戶進程與傳統(tǒng)的I/O設備相互作用復雜得多。首先，進行網(wǎng)絡操作的兩個進程鑰紀紀同機器上，如何建立它們之間的聯(lián)系？其次，網(wǎng)絡協(xié)議存在多種，如何建立一種通用機制以支持多種協(xié)議？這些都是網(wǎng)絡應用編程界面所要解決的問題。 在UNIX系統(tǒng)中，網(wǎng)絡應用編程界面有兩類：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI。由于Sun公司采用了支持TCP/IP的UNIX BSD操作系統(tǒng)，使TCP/IP的應用有更大的發(fā)展

3、，其網(wǎng)絡應用編程界面套接字（socket）在網(wǎng)絡軟件中被廣泛應用，至今已引進微機操作系統(tǒng)DOS和Windows系統(tǒng)中，成為開發(fā)網(wǎng)絡應用軟件的強有力工具，本章將要詳細討論這個問題。 2 套接字編程基本概念 鑰紀紀始使用套接字編程之前，首先必須建立以下概念。 2.1 網(wǎng)間進程通信 進程通信的概念最初來源于單機系統(tǒng)。由于每個進程都在自己的地址范圍內(nèi)運行，為保證兩個相互通信的進程之間既互不干擾又協(xié)調(diào)一致工作，操作系統(tǒng)為進程通信提供了相應設施，如UNIX BSD中的管道（pipe）、命名管道（named pipe）和軟中斷信

4、號（signal），UNIX system V的消息（message）、共享存儲區(qū)（shared memory）和信號量（semaphore)等，但都僅限于用在本機進程之間通信。網(wǎng)間進程通信要解決的是不同主機進程間的相互通信問題（可把同機進程通信看作是其中的特例）。為此，首先要解決的是網(wǎng)間進程標識問題。同一主機上，不同進程可用進程號（process ID）唯一標識。但在網(wǎng)絡環(huán)境下，各主機獨立分配的進程號不能唯一標識該進程。例如，主機A賦于某進程號5，在B機中也可以存在5號進程，因此，“5號進程”這句話就沒有意義了。 其次，操作系統(tǒng)支持的網(wǎng)絡協(xié)議

5、眾多，不同協(xié)議的工作方式不同，地址格式也不同。因此，網(wǎng)間進程通信還要解決多重協(xié)議的識別問題。 為了解決上述問題，TCP/IP協(xié)議引入了下列幾個概念。 端口 網(wǎng)絡中可以被命名和尋址的通信端口，是操作系統(tǒng)可分配的一種資源。 按照OSI七層協(xié)議的描述，傳輸層與網(wǎng)絡層在功能上的最大區(qū)別是傳輸層提供進程通信能力。從這個意義上講，網(wǎng)絡通信的最終地址就不僅僅是主機地址了，還包括可以描述進程的某種標識符。為此，TCP/IP協(xié)議提出了協(xié)議端口（protocol port，簡稱端口）的概念，用于標識通信的進程。 端口是一種抽象的軟件結(jié)構(gòu)（包括一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

6、和I/O緩沖區(qū)）。應用程序（即進程）通過系統(tǒng)調(diào)用與某端口建立連接（binding）后，傳輸層傳給該端口的數(shù)據(jù)都被相應進程所接收，相應進程發(fā)給傳輸層的數(shù)據(jù)都通過該端口輸出。在TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)中，端靠紀紀作類似于一般的I/O操作，進程獲取一個端口，相當于獲取本地唯一的I/O文件，可以用一般的讀寫原語訪問之。 類似于文件描述符，每個端口都擁有一個叫端口號（port number）的整數(shù)型標識符，用于區(qū)別不同端口。由于TCP/IP傳輸層的兩個協(xié)議TCP和UDP是完全獨立的兩個軟件模塊，因此各自的端口號也相互獨立，如TCP有一個255號端口，UDP也可以有一個255號端口，二者

7、并不沖突。 端口號的分配是一個重要問題。有兩種基本分配方式：第一種叫全局分配，這是一種集中控制方式，由一個公認的中央機構(gòu)根據(jù)用戶需要進行統(tǒng)一分配，并將結(jié)果公布于眾。第二種是本地分配，又稱動態(tài)連接，即進程需要訪問傳輸層服務時，向本地操作系統(tǒng)提出申請，操作系統(tǒng)返回一個本地唯一的端口號，進程再通過合適的系統(tǒng)調(diào)用將自己與該端口號聯(lián)系起來（綁扎）。TCP/IP端口號的分配中綜合了上述兩種方式。TCP/IP將端口號分為兩部分，少量的作為保留端口，以全局方式分配給服務進程。因此，每一個標準服務器都擁有一個全局公認的端口（即周知口，well-known port），即使鑰紀紀同機器上，其端

8、口號也相同。剩余的為自由端口，以本地方式進行分配。TCP和UDP均規(guī)定，小于256的端口號才能作保留端口。 地址 網(wǎng)絡通信中通信的兩個進程分別鑰紀紀同的機器上。在互連網(wǎng)絡中，兩臺機器可能位涌紀紀同的網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡互連設備（網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)橋，路由器等）連接。因此需要三級尋址： 1. 某一主機可與多個網(wǎng)絡相連，必須指定一特定網(wǎng)絡地址； 2. 網(wǎng)絡上每一臺主機應有其唯一的地址； 3. 每一主機上的每一進程應有在該主機上的唯一標識符。 通常主機地址由網(wǎng)絡ID和主機ID組成，在TCP/IP協(xié)議中用32位整數(shù)值表示

9、；TCP和UDP均使用16位端口號標識用戶進程。 網(wǎng)絡字節(jié)順序 不同的計算機存放多字節(jié)值的順序不同，有的機器在起始地址存放低位字節(jié)（低價先存），有的存高位字節(jié)（高價先存）。為保證數(shù)據(jù)的正確性，在網(wǎng)絡協(xié)議中須指定網(wǎng)絡字節(jié)順序。TCP/IP協(xié)議使用16位整數(shù)和32位整數(shù)的高價先存格式，它們均含在協(xié)議頭文件中。 連接 兩個進程間的通信鏈路稱為連接。連接在目紀紀表現(xiàn)為一些緩沖區(qū)和一組協(xié)議機制，在外部表現(xiàn)出比無連接高的可靠性。 半相關(guān) 綜上所述，網(wǎng)絡中用一個三元組可以在全局唯一標志一個進程： （協(xié)議，本地地址，本地端口號） 

10、這樣一個三元組，叫做一個半相關(guān)（half-association），它指定連接的每半部分。 全相關(guān) 一個完整的網(wǎng)間進程通信需要由兩個進程組成，并且只能使用同一種高層協(xié)議。也就是說，不可能通信的一端用TCP協(xié)議，而另一端用UDP協(xié)議。因此一個完整的網(wǎng)間通信需要一個五元組來標識： （協(xié)議，本地地址，本地端口號，遠地地址，遠地端口號） 這樣一個五元組，叫做一個相關(guān)（association），即兩個協(xié)議相同的半相關(guān)才能組合成一個合適的相關(guān)，或完全指定組成一連接。 2.2 服務方式 在網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)中，各層之間是嚴格單向依賴的，各層次的

11、分工和協(xié)作集中體現(xiàn)在相量紀紀之間的界面上。“服務”是描述相量紀紀之間關(guān)系的抽象概念，即網(wǎng)絡中各層向緊鄰上層提供的一組操作。下層是服務提供者，上層是請求服務的用戶。服務的表現(xiàn)形式是原語（primitive），如系統(tǒng)調(diào)用或庫函數(shù)。系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核向網(wǎng)絡應用程序或高層協(xié)議提供的服務原語。網(wǎng)絡中的n層總要向n+1層提供比n-1層更完備的服務，否則n層就沒有存在的價值。 在OSI的術(shù)語中，網(wǎng)絡層及其以下各層又稱為通信子網(wǎng)，只提供點到點通信，沒有程序或進程的概念。而傳輸層實現(xiàn)的是“端到端”通信，引進網(wǎng)間進程通信概念，同時也要解決差錯控制，流量控制，數(shù)據(jù)排序（報文排序），連接管理等問題，為此

12、提供不同的服務方式： 面向連接（虛電路）或無連接 面向連接服務是電話系統(tǒng)服務模式的抽象，即每一次完整的數(shù)據(jù)傳輸都要經(jīng)過建立連接，使用連接，終止連接的過程。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，各數(shù)據(jù)分組不攜帶目的地址，而使用連接號（connect ID）。本質(zhì)上，連接是一個管道，收發(fā)數(shù)據(jù)不但順序一致，而且內(nèi)容相同。TCP協(xié)議提供面向連接的虛電路。 無連接服務是郵政系統(tǒng)服務的抽象，每個分組都攜帶完整的目的地址，各分組在系統(tǒng)中獨立傳送。無連接服務不能保證分組的先后順序，不進行分組出錯的恢復與重傳，不保證傳輸?shù)目煽啃?。UDP協(xié)議提供無連接的數(shù)據(jù)報服務。 下面給出這兩種服

13、務的類型及應用中的例子： 服務類型 服 務 例 子 面向連接 可靠的報文流 可靠的字節(jié)流 不可靠的連接 文件傳輸（FTP） 遠程登錄（Telnet） 數(shù)字話音 無連接 不可靠的數(shù)據(jù)報 有確認的數(shù)據(jù)報 請求應答 電子郵件（E-mail） 電子郵件中的掛號信 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫查詢 順序 在網(wǎng)絡傳輸中，兩個連續(xù)報文在端端通信中可能經(jīng)過不同路徑，這樣到達目的地時的順序可能會與發(fā)送時不同?！绊樞颉笔侵附?/p>

14、收數(shù)據(jù)順序與發(fā)送數(shù)據(jù)順序相同。TCP協(xié)議提供這項服務。 差錯控制 保證應用程序接收的數(shù)據(jù)無差錯的一種機制。檢查差錯的方法一般是采用檢驗“檢查和（Checksum）”的方法。而保證傳送無差錯的方法是雙方采用確認應答技術(shù)。TCP協(xié)議提供這項服務。 流控制 在數(shù)據(jù)傳輸過程中控制數(shù)據(jù)傳輸速率的一種機制，以保證數(shù)據(jù)不被丟失。TCP協(xié)議提供這項服務。 字節(jié)流 字節(jié)流方式指的是僅把傳輸中的報文看作是一個字節(jié)序列，不提供數(shù)據(jù)流的任何邊界。TCP協(xié)議提供字節(jié)流服務。 報文 接收方要保存發(fā)送方的報文邊界。UDP協(xié)議提供報文服務。

15、60;全雙工/半雙工 端端間數(shù)據(jù)同時以兩個方向/一個方向傳送。 緩存/帶外數(shù)據(jù) 在字節(jié)流服務中，由于沒有報文邊界，用戶進程在某一時刻可以讀或?qū)懭我鈹?shù)量的字節(jié)。為保證傳輸正確或采用有流控制的協(xié)議時，都要進行緩存。但對某些特殊的需求，如交互式應用程序，又會要求取消這種緩存。 在數(shù)據(jù)傳送過程中，希望不通過常規(guī)傳輸方式傳送給用戶以便及時處理的某一類信息，如UNIX系統(tǒng)的中斷鍵（Delete或Control-c）、終端流控制符（Control-s和Control-q），稱為帶外數(shù)據(jù)。邏輯上看，好象用戶進程使用了一個獨立的通道傳輸這些數(shù)據(jù)。該通道與每對連接的流相聯(lián)系

16、。由于Berkeley Software Distribution中對帶外數(shù)據(jù)的實現(xiàn)與RFC 1122中規(guī)定的Host Agreement不一致,為了將互操作中的問題減到最小，應用程序編寫者除非與現(xiàn)有服務互操作時要求帶外數(shù)據(jù)外，最好不使用它。 2.3 客戶/服務器模式 在TCP/IP網(wǎng)絡應用中，通信的兩個進程間相互作用的主要模式是客戶/服務器模式（Client/Server model），即客戶向服務器發(fā)出服務請求，服務器接收到請求后，提供相應的服務。客戶/服務器模式的建立基于以下兩點：首先，建立網(wǎng)絡的起因是網(wǎng)絡中

17、軟硬件資源、運算能力和信息不均等，需要共享，從而造就擁有眾多資源的主機提供服務，資源較少的客戶請求服務這一非對等作用。其次，網(wǎng)間進程通信完全是異步的，相互通信的進程間既不存在父子關(guān)系，又不共享內(nèi)存緩沖區(qū)，因此需要一種機制為希望通信的進程間建立聯(lián)系，為二者的數(shù)據(jù)交換提供同步，這就是基涌紀紀戶/服務器模式的TCP/IP。 客戶/服務器模式鑰紀紀作過程中采取的是主動請求方式： 首先服務器方要先啟動，并根據(jù)請求提供相應服務： 1. 打開一通信通道并告知本地主機，它愿意在某一公認地址上（周知口，如FTP為21）接收客戶請求； 2. 等待客戶請求

18、到達該端口； 3. 接收到重復服務請求，處理該請求并發(fā)送應答信號。接收到并發(fā)服務請求，要激活一新進程來處理這個客戶請求（如UNIX系統(tǒng)中用fork、exec）。新進程處理此客戶請求，并不需要對其它請求作出應答。服務完成后，關(guān)閉此新進程與客戶的通信鏈路，并終止。 4. 返回第二步，等待另一客戶請求。 5. 關(guān)閉服務器 客戶方： 1. 打開一通信通道，并連接到服務器所在主機的特定端口； 2. 向服務器發(fā)服務請求報文，等待并接收應答；繼續(xù)提出請求. 3. 請求結(jié)束后關(guān)閉通

19、信通道并終止。 從上面所描述過程可知： 1. 客戶與服務器進程的作用是非對稱的，因此編碼不同。 2. 服務進程一般是先涌紀紀戶請求而啟動的。只要系統(tǒng)運行，該服務進程一直存在，直到正常或強迫終止。 2.4 套接字類型 TCP/IP的socket提供下列三種類型套接字。 流式套接字（SOCK_STREAM） 提供了一個面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務，數(shù)據(jù)無差錯、無重復地發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。內(nèi)設流量控制，避免數(shù)據(jù)流超限；數(shù)據(jù)被看作是字節(jié)流，無長度限制。文件傳送協(xié)議（FTP）即使用流式套接字。

20、0;數(shù)據(jù)報式套接字（SOCK_DGRAM） 提供了一個無連接服務。數(shù)據(jù)包以獨立包形式被發(fā)送，不提供無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復，并且接收順序混亂。網(wǎng)絡文件系統(tǒng)（NFS）使用數(shù)據(jù)報式套接字。 原始式套接字（SOCK_RAW） 該接口允許對較低層協(xié)議，如IP、ICMP直接訪問。常用于檢驗新的協(xié)議實現(xiàn)或訪問現(xiàn)有服務中配置的新設備。 3 基本套接字系統(tǒng)調(diào)用 為了更好地說明套接字編程原理，下面給出幾個基本套接字系統(tǒng)調(diào)用說明。 3.1 創(chuàng)建套接字socket() 應用程序在使用套接字前，首先必須擁有一個套接字，系統(tǒng)調(diào)

21、用socket()向應用程序提供創(chuàng)建套接字的手段，其調(diào)用格式如下： SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol); 該調(diào)用要接收三個參數(shù)：af、type、protocol。參數(shù)af指定通信發(fā)生的區(qū)域，UNIX系統(tǒng)支持的地址族有：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中僅支持AF_INET，它是網(wǎng)際網(wǎng)區(qū)域。因此，地址族與協(xié)議族相同。參數(shù)type 描述要建立的套接字的類型。參數(shù)protoco

22、l說明該套接字使用的特定協(xié)議，如果調(diào)用者不希望特別指定使用的協(xié)議，則置為0，使用默認的連接模式。根據(jù)這三個參數(shù)建立一個套接字，并將相應的資源分配給它，同時返回一個整型套接字號。因此，socket()系統(tǒng)調(diào)用實際上指定了相關(guān)五元組中的“協(xié)議”這一元。 有關(guān)socket()的詳細描述參看5.2.23。 3.2 指定本地地址bind() 當一個套接字用socket()創(chuàng)建后，存在一個名字空間(地址族),但它沒有被命名。bind()將套接字地址（包括本地主機地址和本地端口地址）與所創(chuàng)建的套接字號聯(lián)系起來，即將名字賦予套接字，以指定本地半相關(guān)。其調(diào)用格式如下：&#

23、160;int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen); 參數(shù)s是由socket()調(diào)用返回的并且未作連接的套接字描述符(套接字號)。參數(shù)name 是賦給套接字s的本地地址（名字），其長度可變，結(jié)構(gòu)隨通信域的不同而不同。namelen表明了name的長度。 如果沒有錯誤發(fā)生，bind()返回0。否則返回值SOCKET_ERROR。 

24、地址在建立套接字通信過程中起著重要作用，作為一個網(wǎng)絡應用程序設計者對套接字地址結(jié)構(gòu)必須有明確認識。例如，UNIX BSD有一組描述套接字地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中使用TCP/IP協(xié)議的地址結(jié)構(gòu)為： struct sockaddr_in short sin_family; /*AF_INET*/ u_short sin_port; /*16位端口號，網(wǎng)絡字節(jié)順序*/ struct in_addr sin_addr; /*32位IP地址，網(wǎng)絡字節(jié)順序*/ char&

25、#160;sin_zero8; /*保留*/  有關(guān)bind()的詳細描述參看5.2.2。 3.3 建立套接字連接connect()與accept() 這兩個系統(tǒng)調(diào)用用于完成一個完整相關(guān)的建立，其中connect()用于建立連接。無連接的套接字進程也可以調(diào)用connect()，但這時在進程之間沒有實際的報文交換，調(diào)用將從本地操作系統(tǒng)直接返回。這樣做的優(yōu)點是程序員不必為每一數(shù)據(jù)指定目的地址，而且如果收到的一個數(shù)據(jù)報，其目的端口未與任何套接字建立“連接”，便能判斷該端靠紀紀可操作。而accept()用于使服務器等待來自某客戶進程的實際連接

26、。 connect()的調(diào)用格式如下： int PASCAL FAR connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen); 參數(shù)s是欲建立連接的本地套接字描述符。參數(shù)name指出說明對方套接字地址結(jié)構(gòu)的指針。對方套接字地址長度由namelen說明。 如果沒有錯誤發(fā)生，connect()返回0。否則返回值SOCKET_ERROR。在面向連接的協(xié)議中，該調(diào)用導致本地系統(tǒng)和外部系統(tǒng)之間連接實際建立。 由于地址族總被包含在套接字地址結(jié)構(gòu)的前兩個字節(jié)中，并通過socket()調(diào)用與某個協(xié)議族相關(guān)。因此bind()和connect()無須協(xié)議作為參數(shù)。 有關(guān)connect()的詳細描述參看5.2.4。 accept()的調(diào)用格式如下： SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct&