socket基础之c/s通信过程

缺乏、安全感 2022-06-17 14:07 145阅读 0赞

**socket可以看成是用户进程与内核网络协议栈的编程接口，socket不仅可以用于本机的进程间通信，还可以用于网络上不同主机的进程通信。**  
这里所说的不同主机例如手机与PC的通信，为什么说手机与PC为不同主机？只是因为其外观不同吗？不是的，首先手机与PC的软件不同，其次是两者的硬件[架构][Link 1]不同，手机采用的是ARM架构而PC大多是x86的架构（至于这两者架构有什么区别，博主现在还不了解，待后续补充，先自行查看参考资料）

下图为client（用户）与server（服务器）之间的通信过程。用到了socket()，connect()，bind()，listen()，accept()，write()，read()等函数。  
![C/S通信方式][C_S]

--------------------

## socket基础之client与server之间的通信过程 ##

首先说说什么是字节序，字节序分为大端字节序和小端字节序。

> **大端字节序**：最高有效位存储于最低内存地址处，最低有效位存储于最高内存地址。  
> **小端字节序**：最高有效位存储于最高内存地址处，最低有效位存储于最低内存地址。
> 
> **主机字节序：不同的主机有不同的字节序。**  
> （1）x86硬件架构下的主机为小端字节序  
> （2）Motorola 68000为大端字节序  
> （3）ARM架构的主机字节序是可配置的
> 
> **网络字节序：网络字节序规定为大端字节序。**

**异构系统**传输规定将主机A的字节序转化为网络字节序，再将网络字节序转化为主机B的字节序。（重要）（这里所说的异构系统可以理解为不同架构的系统，上面说的主机字节序因为架构不同，所产生的字节序也不同，所以规定统一先转化为网络字节序）

#### 字节序之间的转换要用到字节序转化函数： ####

#include <netinet/in.h>
    uint16_t    htons(uint16_thost16bitvalue);
    uint32_t    htonl(uint32_thost32bitvalue);
     
      
       1
       2
       3
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2
       3

上面这两种**均返回网络字节序的值**

uint16_t    ntohs(uint16_tnet16bitvalue);
    uint32_t    ntohl(uint32_tnet32bitvalue);
     
      
       1
       2
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2

上面这两种**均返回主机字节序的值**

**h代表host n代表network s代表short l代表long**

这些函数后续博客都会详细说明

--------------------

对字节序有一定了解后我们来说socket套接字地址结构，定义在`#include <netinet/in.h >`中。  
IPv4套接字地址结构如下：

struct in_addr {
           in_addr_t   s_addr; 
    };
    //存储32位IPv4网络字节序地址（所以要将例如127.0.0.1这样的点分十进制地址转换，用到inet_aton函数）
     
      
       1
       2
       3
       4
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2
       3
       4

struct sockaddr_in {
           sa_family_t        sin_family;
           in_port_t           sin_port; 
           struct in_addr     sin_addr;
           char                  sin_zero[8];
    };
    //sin_family写入AF_INET，表示IPv4的地址族
    //sin_port存储端口号（端口号使用网络字节序，必须用到htons函数将16位TCP或UDP端口号转换成网络字节序），在linux下端口号范围是0-65535，同时0-1024端口号已经被 系统使用或保留
    //sin_zero[8]字段值未曾使用，设置为0即可
     
      
       1
       2
       3
       4
       5
       6
       7
       8
       9
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2
       3
       4
       5
       6
       7
       8
       9

--------------------

## client/server使用socket()函数创建套接字： ##

#include < sys/socket.h >
    int socket ( int family, int type,int protocol );
    //socket函数在成功时返回一个小的非负整数值，它与文件描述符类似，我们把它称为套接字描述符（socketdescriptor），简称sockfd。失败时则返回-1。
     
      
       1
       2
       3
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2
       3

#### socket函数参数解释： ####

*  **int family**参数指明协议族：

AF_INET                //IPv4协议
    AF_INET6               //IPv6协议
     
      
       1
       2
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2

*  **int type**参数指明套接字类型：

SOCK_STREAM            //字节流套接字（表示用TCP传输，可靠、双向、面向链接的比特流）
    SOCK_DGRAM             //数据报套接字（表示用UDP传输，不可靠、无连接通信）
    SOCK_RAW               //原始套接字
     
      
       1
       2
       3
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2
       3

*  **intprotocol**参数指明协议类型（也可设置为0，当设置为0时选择family和type组合来确定传输协议）：

IPPROTO_TCP            //TCP传输协议
    IPPROTO_UDP            //UDP传输协议
     
      
       1
       2
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2

--------------------

## server使用bind()函数绑定套接口： ##

#include <sys/socket.h>
    int bind (int sockfd, const structsockaddr *myaddr, socklen_t addrlen); 
    // 若成功则返回0，若出错则返回-1。
     
      
       1
       2
       3
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2
       3

**bind函数作用**：将IP、端口命名给socket，让它具有远程通信的功能。

#### bind函数参数解释： ####

*  **int sockfd**参数是socket套接字创建后返回的套接字描述符
 *  **const struct sockaddr\*myaddr**参数是取特定协议地址结构（例如IPv4的sockaddr\_in）
 *  **socklen\_t addrlen**参数表示所指向的特定协议地址结构的结构体大小

> 一般情况下**客户端没必要使用bind绑定socket**，因为在发送数据报文的时候，内核会帮你填写好报文头部的源IP和源端口，但是需要在client中初始化服务器端的IP和端口，这样才能在connect之后将报文发送至目的IP和目的端口。bind函数一般用于服务器，服务器端的第二个结构体参数不用初始化，因为当服务器accept时，服务器端接受报文后会将报文头部的源IP和源端口写入服务器的structsockaddr\_in结构体中。

--------------------

## server使用listen()函数监听socket套接字： ##

#include < sys/socket.h >
    int listen ( int sockfd, int backlog);
    //若成功则返回0，若出错则返回-1。
     
      
       1
       2
       3
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2
       3

#### listen函数参数解释： ####

*  **int sockfd**参数指的是需要进入监听状态的socket套接字返回的套接字描述符
 *  **int backlog**参数指的是请求队列的最大长度（这是一个幻数，自己定义的请求队列的大小是一个值，但实际上可能允许的最大队列大于自己定义的这个值，kernel2.2之前这个参数代表了未完成与完成连接的个数，kernel2.6之后为完成建立连接的最大值）

listen函数仅由TCP服务器调用，所谓监听是指当没有客户端（client）的connect函数请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到client的connect请求时，socket套接字才被“唤醒”来响应请求。注意：listen函数只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用accept函数。

> listen函数的执行在TCP三次握手之前，而accept函数的执行则在TCP三次握手之后。

#### int backlog参数设置请求队列的最大长度，那么什么是**请求队列**呢？ ####

当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。这个缓冲区，就称为**请求队列**（RequestQueue）。

缓冲区的长度（能存放多少个client请求）可以通过 listen() 函数的 backlog参数指定，但究竟为多少并没有什么标准，可以根据你的需求来定，并发量小的话可以是10或者20。如果将 backlog的值设为SOMAXCONN，就由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百，或者更多。当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于[Linux][]，client会收到 ECONNREFUSED 错误。

--------------------

## server使用accept函数来等待接收client的connect请求： ##

#include < sys/socket.h>
    int accept (int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);
    //若成功则返回新的非负描述符connfd，若出错则为-1
     
      
       1
       2
       3
      
     
      
      
       
     
      
     
      
       1
       2
       3

#### accept函数参数解释： ####

*  **intsockfd**参数为监听套接字描述符（由socket创建，随后用作bind，listen的第一个参数）
 *  **struct sockaddr \*cliaddr**参数是取client的特定协议地址结构（一般由client填写）
 *  **socklen\_t\*addrlen**参数指向一个局部整形变量，一般设置为（sizeof（struct sockaddr\_in））

accept函数由TCP服务器调用，用于从已完成连接队列队头返回下一个已完成连接。如果已完成连接队列为空，那么进程被投入睡眠（假定套接字为默认的阻塞方式）。  
需要注意的一点是如果我们对返回客户协议地址不感兴趣，难么可以把cliaddr和addrlen均置为空指针，第二个参数为NULL，第三个也填写为NULL即可。

一个服务器通常仅仅创建一个监听套接字（sockfd），它在该服务器生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的client连接创建一个已连接套接字。当server完成对某个给定的client的服务时，相应的已连接套接字就被关闭。

[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/architecture
[C_S]: /images/20220617/60483f76ecfa46728f7abdfc0a2554a5.png
[Linux]: http://lib.csdn.net/base/linux