1.socket套接字

在UNIX系统中，一个核心的思想就是“一切皆文件”。Linux属于类UNIX系统，继承了UNIX的这一核心思想。UNIX系统的I/O命令集，其模式为打开一读/写一关闭（open-write-read-close）。在一个用户进程进行I/O操作时，它首先调用“打开”获得对指定文件或设备的使用权，并返回称为文件描述符的整型数，以描述用户在打开的文件或设备上进行I/O操作的进程。然后这个用户进程多次调用“读/写”以传输数据。当所有的传输操作完成后，用户进程关闭调用，通知操作系统已经完成了对某对象的使用。 当TCP/IP协议被植入Linux系统时，也采用了上述思想：即借助文件通过相应的IO操作实现网络通信的功能。这里的文件即是socket套接字。它提供了用户空间向内核空间调用的接口。

2.几个基本概念

2.1 网间进程通信

进程通信的概念最初来源于单机系统。由于每个进程都在自己的地址范围内运行，为保证两个相互通信的进程之间既互不干扰又协调一致工作，操作系统为进程通信提供了相应设施，如UNIX BSD中的管道（pipe）、命名管道（named pipe）和软中断信号（signal），UNIX system V的消息（message）、共享存储区（shared memory）和信号量（semaphore)等，但都仅限于用在本机进程之间通信。网间进程通信要解决的是不同主机进程间的相互通信问题（可把同机进程通信看作是其中的特例）。为此，首先要解决的是网间进程标识问题。同一主机上，不同进程可用进程号（process ID）唯一标识。但在网络环境下，各主机独立分配的进程号不能唯一标识该进程。因而需要引入以下几个概念。

2.2 端口

网络中可以被命名和寻址的通信端口，是操作系统可分配的一种资源。 按照OSI七层协议的描述，传输层与网络层在功能上的最大区别是传输层提供进程通信能力。从这个意义上讲，网络通信的最终地址就不仅仅是主机地址了，还包括可以描述进程的某种标识符。为此，TCP/IP协议提出了协议端口（protocol port，简称端口）的概念，用于标识通信的进程。 端口是一种抽象的软件结构（包括一些数据结构和I/O缓冲区）。应用程序（即进程）通过系统调用与某端口建立连接（binding）后，传输层传给该端口的数据都被相应进程所接收，相应进程发给传输层的数据都通过该端口输出。在TCP/IP协议的实现中，端口操作类似于一般的I/O操作，进程获取一个端口，相当于获取本地唯一的I/O文件，可以用一般的读写原语访问之。 类似于文件描述符，每个端口都拥有一个叫端口号（port number）的整数型标识符，用于区别不同端口。由于TCP/IP传输层的两个协议TCP和UDP是完全独立的两个软件模块，因此各自的端口号也相互独立，如TCP有一个255号端口，UDP也可以有一个255号端口，二者并不冲突。 端口号的分配是一个重要问题。有两种基本分配方式：第一种叫全局分配，这是一种集中控制方式，由一个公认的中央机构根据用户需要进行统一分配，并将结果公布于众。第二种是本地分配，又称动态连接，即进程需要访问传输层服务时，向本地操作系统提出申请，操作系统返回一个本地唯一的端口号，进程再通过合适的系统调用将自己与该端口号联系起来（绑扎）。TCP/IP端口号的分配中综合了上述两种方式。TCP/IP将端口号分为两部分，少量的作为保留端口，以全局方式分配给服务进程。因此，每一个标准服务器都拥有一个全局公认的端口（即周知口，well-known port），即使在不同机器上，其端口号也相同。剩余的为自由端口，以本地方式进行分配。TCP和UDP均规定，小于256的端口号才能作保留端口。

2.3 地址

网络通信中通信的两个进程分别在不同的机器上。在互连网络中，两台机器可能位于不同的网络，这些网络通过网络互连设备（网关，网桥，路由器等）连接。因此需要三级寻址：

1. 某一主机可与多个网络相连，必须指定一特定网络地址；
2. 网络上每一台主机应有其唯一的地址；
3. 每一主机上的每一进程应有在该主机上的唯一标识符。

通常主机地址由网络ID和主机ID组成，在TCP/IP协议中用32位整数值表示；TCP和UDP均使用16位端口号标识用户进程。

2.4 网络字节顺序

不同的计算机存放多字节值的顺序不同，有的机器在起始地址存放低位字节（低价先存），有的存高位字节（高价先存）。为保证数据的正确性，在网络协议中须指定网络字节顺序。TCP/IP协议使用16位整数和32位整数的高价先存格式，它们均含在协议头文件中。

2.5 连接

两个进程间的通信链路称为连接。连接在内部表现为一些缓冲区和一组协议机制，在外部表现出比无连接高的可靠性。

2.6 半相关

综上所述，网络中用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程：（协议，本地地址，本地端口号） 这样一个三元组，叫做一个半相关（half-association），它指定连接的每半部分。

2.7 全相关

一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议。也就是说，不可能通信的一端用TCP协议，而另一端用UDP协议。因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识： （协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号） 这样一个五元组，叫做一个相关（association），即两个协议相同的半相关才能组合成一个合适的相关，或完全指定组成一连接。

3.socket相关函数接口

3.1创建套接字──socket()

应用程序在使用套接字前，首先必须拥有一个套接字，系统调用socket()向应用程序提供创建套接字的手段，其调用格式如下：

int SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol)

该调用要接收三个参数：af、type、protocol。参数af指定通信发生的区域，UNIX系统支持的地址族有：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中仅支持AF_INET，它是网际网区域。因此，地址族与协议族相同。参数type 描述要建立的套接字的类型。参数protocol说明该套接字使用的特定协议，如果调用者不希望特别指定使用的协议，则置为0，使用默认的连接模式。根据这三个参数建立一个套接字，并将相应的资源分配给它，同时返回一个整型套接字号。因此，socket()系统调用实际上指定了相关五元组中的“协议”这一元。

3.2指定本地地址──bind()

当一个套接字用socket()创建后，存在一个名字空间(地址族),但它没有被命名。bind()将套接字地址（包括本地主机地址和本地端口地址）与所创建的套接字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。其调用格式如下：

int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

参数s是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符(套接字号)。参数name 是赋给套接字s的本地地址（名字），其长度可变，结构随通信域的不同而不同。namelen表明了name的长度。如果没有错误发生，bind()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。

3.3建立套接字连接──connect()与accept()

这两个系统调用用于完成一个完整相关的建立，其中connect()用于建立连接。无连接的套接字进程也可以调用connect()，但这时在进程之间没有实际的报文交换，调用将从本地操作系统直接返回。这样做的优点是程序员不必为每一数据指定目的地址，而且如果收到的一个数据报，其目的端口未与任何套接字建立“连接”，便能判断该端口不可操作。而accept()用于使服务器等待来自某客户进程的实际连接。

int PASCAL FAR connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen)

参数s是欲建立连接的本地套接字描述符。参数name指出说明对方套接字地址结构的指针。对方套接字地址长度由namelen说明。 如果没有错误发生，connect()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。在面向连接的协议中，该调用导致本地系统和外部系统之间连接实际建立。 由于地址族总被包含在套接字地址结构的前两个字节中，并通过socket()调用与某个协议族相关。因此bind()和connect()无须协议作为参数。 accept()的调用格式如下：

SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen)

参数s为本地套接字描述符，在用做accept()调用的参数前应该先调用过listen()。addr 指向客户方套接字地址结构的指针，用来接收连接实体的地址。addr的确切格式由套接字创建时建立的地址族决定。addrlen 为客户方套接字地址的长度（字节数）。如果没有错误发生，accept()返回一个SOCKET类型的值，表示接收到的套接字的描述符。否则返回值INVALID_SOCKET。 accept()用于面向连接服务器。参数addr和addrlen存放客户方的地址信息。调用前，参数addr 指向一个初始值为空的地址结构，而addrlen 的初始值为0；调用accept()后，服务器等待从编号为s的套接字上接受客户连接请求，而连接请求是由客户方的connect()调用发出的。当有连接请求到达时，accept()调用将请求连接队列上的第一个客户方套接字地址及长度放入addr 和addrlen，并创建一个与s有相同特性的新套接字号。新的套接字可用于处理服务器并发请求。 四个套接字系统调用，socket()、bind()、connect()、accept()，可以完成一个完全五元相关的建立。socket()指定五元组中的协议元，它的用法与是否为客户或服务器、是否面向连接无关。bind()指定五元组中的本地二元，即本地主机地址和端口号，其用法与是否面向连接有关：在服务器方，无论是否面向连接，均要调用bind()；在客户方，若采用面向连接，则可以不调用bind()，而通过connect()自动完成。若采用无连接，客户方必须使用bind()以获得一个唯一的地址。

3.4监听连接──listen()

此调用用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。listen()需在accept()之前调用，其调用格式如下：

int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);

参数s标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号，服务器愿意从它上面接收请求。backlog表示请求连接队列的最大长度，用于限制排队请求的个数，目前允许的最大值为5。如果没有错误发生，listen()返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。 listen()在执行调用过程中可为没有调用过bind()的套接字s完成所必须的连接，并建立长度为backlog的请求连接队列。 调用listen()是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。它在调用socket()分配一个流套接字，且调用bind()给s赋于一个名字之后调用，而且一定要在accept()之前调用。

3.5数据传输──send()与recv()

当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有send()和recv()。 send()调用用于在参数s指定的已连接的数据报或流套接字上发送输出数据，格式如下：

int PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags)

参数s为已连接的本地套接字描述符。buf 指向存有发送数据的缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否发送带外数据等。如果没有错误发生，send()返回总共发送的字节数。否则它返回SOCKET_ERROR。 recv()调用用于在参数s指定的已连接的数据报或流套接字上接收输入数据，格式如下：

int PASCAL FAR recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags)

参数s 为已连接的套接字描述符。buf指向接收输入数据缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否接收带外数据等。如果没有错误发生，recv()返回总共接收的字节数。如果连接被关闭，返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。

3.6关闭套接字──closesocket()

closesocket()关闭套接字s，并释放分配给该套接字的资源；如果s涉及一个打开的TCP连接，则该连接被释放。closesocket()的调用格式如下：

BOOL PASCAL FAR closesocket(SOCKET s)

参数s待关闭的套接字描述符。如果没有错误发生，closesocket()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。

4.TCP/UDP通信实例

TCP (Transmission Control Protocol)和UDP(User Datagram Protocol)协议属于传输层协议。其中TCP提供IP环境下的数据可靠传输，它提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送。通俗说，它是事先为所发送的数据开辟出连接好的通道，然后再进行数据发送；而UDP则不为IP提供可靠性、流控或差错恢复功能。一般来说，TCP对应的是可靠性要求高的应用，而UDP对应的则是可靠性要求低、传输经济的应用。TCP支持的应用协议主要有：Telnet、FTP、SMTP等；UDP支持的应用层协议主要有：NFS（网络文件系统）、SNMP（简单网络管理协议）、DNS（主域名称系统）、TFTP（通用文件传输协议）等。 TCP/UDP之间的差别在下表中罗列： 一个典型的UCP通信流程如下图所示：

5 其他

Socket提供了用户空间和内核空间交互的接口，通过这个接口，仅仅通过函数调用就可以方便的实现网络建立和连接，而对于TCP/IP协议的工作流程则被底层封装，看不到其中的细节。这里，对于TCP建立过程中三次握手进行分析，大致了解各个函数的处理流程。 从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了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。 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。