socket详解（附加C++编程实例讲解）

前言

最近新换了家实习单位，趁着leader去交通局开会，偷个闲整理一下有关于socket通信方面的知识。

socket

socket可以将其理解为一种“中间件”，即TCP/IP协议族与应用层通信的中间软件，它是一组接口。恰巧最近在看自动驾驶中的“中间件”，我们可以将其理解：我们是做“炸串”的寡头、其中肉串的好坏对我们至关重要，我们可能不需要去自己亲自挑选肉串，可以让某些代理机构去测评并提供新鲜的“肉串”至于肉串是谁家做的，我们不关心，我们只关注肉的质量。其中代理机构类似与“中间件”，将我们与提供肉串的厂商分隔开来，每个部分只专注于其本身擅长的事。就像挑选“肉串一样”，TCP/IP协议很复杂，socket将其封装提供给用户使用。

socket起源于Unix,而Unix/Unix基本哲学就是“一切皆为文件”，我们知道文件的操作模式为：
“open->write/read->close”模式，我们将socke可以理解为对数据流的一种读写操作，socke帮我们封装好了对应的函数，后面我们将介绍。

TCP/IP及UDP简介

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，他是为广域网（WANs）设计的。UDP(User Data Protocol)用户数据协议与TCP相对应的协议。


TCP/IP协议簇包括应用层、传输层、网络层、链路层（数据链路层、物理层）socket处于的位置为应用层和运输层之间。

TCP/IP 三次握手建立连接

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：

1. 客户端向服务器发送一个SYN J
2. 服务器向客户端响应响应一个SYN K 并对SYN K 进行确认 ACK + 1
3. 客户端再向服务器发一个确认ACK K+1

只有进行完三次握手之后才可以建立连接。

SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。是TCP/IP建立连接时使用的握手信号。在客户机和服务器之间建立正常的TCP网络连接时，客户机首先发出一个SYN消息，服务器使用SYN+ACK应答表示接收到了这个消息，最后客户机再以ACK消息响应。这样在客户机和服务器之间才能建立起可靠的TCP连接，数据才可以在客户机和服务器之间传递。

ACK (Acknowledge character）即是确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符。表示发来的数据已确认接收无误。 在TCP/IP协议中，如果接收方成功的接收到数据，那么会回复一个ACK数据。通常ACK信号有自己固定的格式,长度大小,由接收方回复给发送方。

从图中可以看出，当客户端调用connect的时候，触发了连接请求，向服务器发送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。

socket 中TCP的四次握手释放

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。
（1） TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送。
（2） 服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
（3） 服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端。
（4） 客户端发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

socket通信流程

socket是"open->write/read->close"模式实现的，交互流程如下图所示：

实例代码

示例一：server只能接收不能发送

示例一：server端

/**服务器只能够接收客户端发来的消息**/
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/shm.h>
#include <thread>
#include <iostream>
using namespace std;
#define PORT 7000
#define QUEUE 20 //连接请求队列
int conn;
/***
 1.创建一个socket，用函数socket（） line31
 2.设置socket属性，用函数setsockopt（）;可选
 3.绑定IP地址，端口等信息到socket上，用函数bind（）;line38
 4.开启监听，用函数listen（）;line44
 5.接收客户端上来的连接，用accept（）
 6.收发数据，用函数send（）和recv（），
 7.关闭网络连接;
 8.关闭监听
***/
void thread_task()
{

}

int main()
{
    cout << "AF_INET : %d " <<AF_INET << endl;
    printf("%d /n", SOCK_STREAM);
    int ss = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//若成成功则返回一个sockefd（套接子描述符）
    printf("%d/n",ss);
    struct sockaddr_in server_sockaddr;//一般存储地址和端口用于信息的存储和显示
    server_sockaddr.sin_family = AF_INET;
    server_sockaddr.sin_port = htons(PORT);//将一个无符号短整型转换为网络字节序，即大端模式
    server_sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//将主机的无符号长整型转换成网络字节顺序
    if(bind(ss, (struct sockaddr*) & server_sockaddr, sizeof(server_sockaddr))== -1)
    {
        perror("bind");
        exit(1);
    }
    if(listen(ss,QUEUE) == -1)
    {
        perror("listen");
        exit(1);
    }
     char buffer[1024];
    //创建另外一个线程
    //std::thread t(thread_task);
    //t.join();
    //char buf[1024];

    //主线程
    while (1)
    {
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
        int len = recv(conn, buffer, sizeof(buffer), 0);//从TCP连接的另一端接受数据
        /*该函数的第一个参数指定接收端套接字描述符；
        第二个参数指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放recv函数接收到的数据；
        第三个参数指明buf的长度；
        第四个参数一般置0*/
        if(strcmp(buffer,"exit\n") == 0)
        {
            break;
        }
        printf("%s",buffer);
        //必须要有返回数据，这样才算一个完整的请求
        send(conn, buffer, len, 0);//向TCP连接的另一端发送数据
    }
    	close(conn);//因为accept函数链接成功后还会生成一个新的套接字描述，结束之后也需要关闭
    	close(ss);//关闭套接字描述符
    	return 0;
   }

示例一：客户端

/*局域网TCP客户端*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/shm.h>
#include <iostream>

#define MYPORT 7000
#define BUFFER_SIZE 1024
/*
    1.创建一个socket，用函数socket（）;
    2.设置socket属性，用函数setsockopt（）;*可选
    3.绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind();
    4.循环接收数据，用函数recvfrom（）;
    5.关闭网络连接;
*/
int main()
{
    //定义sockfd
    int sock_cli = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    //定义sockaddr_in
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0 , sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(MYPORT);//服务器端口
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //服务器ip,inet_addr用于IPv4的IP转换
（十进制转换为二进制）
    //127.0.0.1是本地预留地址
    //连接服务器，成功返回0,错误返回-1
    if(connect(sock_cli, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) <0)
    {
        perror("connect");
        exit(1);
    }

    char sendbuf[BUFFER_SIZE];
    char recvbuf[BUFFER_SIZE];

    while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL) //从stream流中读取size个字符到所
指向的内存区域
    {
        /*每次读取一行，读取的数据保存在buf指向的字符串数组中，成功则返回地一个参数的buf：*/
       send(sock_cli, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);//发送
       std::cout << " judge send is : " << send <<std::endl;
       if(strcmp(sendbuf, "exit\n") == 0)
       {
            break;
       }
        recv(sock_cli,recvbuf, sizeof(recvbuf), 0);
        fputs(recvbuf, stdout);//把字符串写入到指定的流，但是不包括空字符

        memset(sendbuf, 0 , sizeof(sendbuf));
        memset(recvbuf, 0 , sizeof(recvbuf));
    }
    close(sock_cli);
    return 0;
    /*在TCP三次握手完成之后会进入等待连接队列，等待服务端调用accept与之建立链接，这时候是sever>端调用accept跟客户端建立
通信，客户端并不需要调用accept，因为很多个客户端要跟服务端建立连接，这时候服务端就会有一个>队列，对已经经过三次握手
的才可以建立连接（类似与缓存消息），这是由服务端来确认的，客户端并不知道什么时候服务端才能>跟它建立连接，在服务端没有
调用accept与之连接或者还未排队到它，只能是一直等待，直到服务端准备好了才能跟客户端建立连接>，所以主动权在服务端*/
}

运行效果


先启动服务器，然后客户端发送“hello”，服务器收到信息之后，在返回给客户端“hello”。

参考博客

C++ socket通信详解

Linux 下的C++ socket 编程实例