SOCKET编程原理

系统 1742 0

对 TCP/IP 、 UDP 、 Socket 编程这些词你不会很陌生吧?随着网络技术的发展,这些词充斥着我们的耳朵。那么我想问:

1. 什么是 TCP/IP、UDP?
2. Socket在哪里呢?
3. Socket是什么呢?
4. 你会使用它们吗?

什么是TCP/IP 、UDP

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即传输控制协议/网间协议,是一个工业标准的协议集,它是为广域网(WANs)设计的。
UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
这里有一张图,表明了这些协议的关系。

图1

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。
Socket 在哪里呢?
在图1中,我们没有看到Socket的影子,那么它到底在哪里呢?还是用图来说话,一目了然。

SOCKET编程原理
图2

原来Socket在这里。
Socket 是什么呢?
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层,它是一组接口。在设计模式中,Socket其实就是一个门面模式,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让Socket去组织数据,以符合指定的协议。
你会使用它们吗?
前人已经给我们做了好多的事了,网络间的通信也就简单了许多,但毕竟还是有挺多工作要做的。以前听到Socket编程,觉得它是比较高深的编程知识,但是只要弄清Socket编程的工作原理,神秘的面纱也就揭开了。
一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友,先拨号,朋友听到电话铃声后提起电话,这时你和你的朋友就建立起了连接,就可以讲话了。等交流结束,挂断电话结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理,也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中,这也不一定。

 

图3

先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket,然后与端口绑定(bind),对端口进行监听(listen),调用accept阻塞,等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket,然后连接服务器(connect),如果连接成功,这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求,服务器端接收请求并处理请求,然后把回应数据发送给客户端,客户端读取数据,最后关闭连接,一次交互结束。
在这里我就举个简单的例子,我们走的是TCP协议这条路(见图2)。例子用MFC编写,运行的界面如下:

 


图4

 


图5

在客户端输入服务器端的IP地址和发送的数据,然后按发送按钮,服务器端接收到数据,然后回应客户端。客户端读取回应的数据,显示在界面上。
下面是接收数据和发送数据的函数:

    
      
        
          int 
        
        Receive
        
          (
        
        SOCKET fd
        
          , 
        
        
          char 
        
        
          *
        
        szText
        
          , 
        
        
          int 
        
        len
        
          ) {     
        
        
          int 
        
        cnt
        
          ;     
        
        
          int 
        
        rc
        
          ;     
        
        cnt 
        
          = 
        
        len
        
          ;     
        
        
          while 
        
        
          (
        
        cnt 
        
          > 
        
        
          0
        
        
          )      {         
        
        rc 
        
          = 
        
        recv
        
          (
        
        fd
        
          , 
        
        szText
        
          , 
        
        cnt
        
          , 
        
        
          0
        
        
          );         
        
        
          if 
        
        
          (
        
        rc 
        
          == 
        
        SOCKET_ERROR
        
          )          {             
        
        
          return  
        
        
          - 
        
        
          1
        
        
          ;          }         
        
        
          if 
        
        
          (
        
        rc 
        
          == 
        
        
          0
        
        
          )             
        
        
          return 
        
        len 
        
          - 
        
        cnt
        
          ;         
        
        szText 
        
          += 
        
        rc
        
          ;         
        
        cnt 
        
          -= 
        
        rc
        
          ;      }     
        
        
          return 
        
        len
        
          ; } 
        
        
          int 
        
        Send
        
          (
        
        SOCKET fd
        
          , 
        
        
          char 
        
        
          *
        
        szText
        
          , 
        
        
          int 
        
        len
        
          ) {     
        
        
          int 
        
        cnt
        
          ;     
        
        
          int 
        
        rc
        
          ;     
        
        cnt 
        
          = 
        
        len
        
          ;     
        
        
          while 
        
        
          (
        
        cnt 
        
          > 
        
        
          0
        
        
          )      {         
        
        rc 
        
          = 
        
        send
        
          (
        
        fd
        
          , 
        
        szText
        
          , 
        
        cnt
        
          , 
        
        
          0
        
        
          );         
        
        
          if 
        
        
          (
        
        rc 
        
          == 
        
        SOCKET_ERROR
        
          )          {             
        
        
          return  
        
        
          - 
        
        
          1
        
        
          ;          }         
        
        
          if 
        
        
          (
        
        rc 
        
          == 
        
        
          0
        
        
          )             
        
        
          return 
        
        len 
        
          - 
        
        cnt
        
          ;         
        
        szText 
        
          += 
        
        rc
        
          ;         
        
        cnt 
        
          -= 
        
        rc
        
          ;      }     
        
        
          return 
        
        len
        
          ; } 
        
      
    
  

服务器端:

在服务器端,主要是启动Socket和监听线程。

    
      
        
          #define 
        
        DEFAULT_PORT 
        
          2000 
        
        
          void 
        
        CServerDlg
        
          ::
        
        OnStart
        
          () {     
        
        sockaddr_in local
        
          ;     
        
        DWORD dwThreadID 
        
          = 
        
        
          0
        
        
          ;     
        
        local
        
          .
        
        sin_family 
        
          = 
        
        AF_INET
        
          ;     
        
        
          //设置的端口为DEFAULT_PORT。     
        
        local
        
          .
        
        sin_port 
        
          = 
        
        htons
        
          (
        
        DEFAULT_PORT
        
          );     
        
        
          //IP地址设置成INADDR_ANY,让系统自动获取本机的IP地址。     
        
        local
        
          .
        
        sin_addr
        
          .
        
        S_un
        
          .
        
        S_addr 
        
          = 
        
        INADDR_ANY
        
          ;     
        
        
          //初始化Socket     
        
        m_Listening 
        
          = 
        
        socket
        
          (
        
        AF_INET
        
          , 
        
        SOCK_STREAM
        
          , 
        
        
          0
        
        
          );     
        
        
          if 
        
        
          (
        
        m_Listening 
        
          == 
        
        INVALID_SOCKET
        
          )      {         
        
        
          return 
        
        
          ;      }     
        
        
          //将本地地址绑定到所创建的套接字上     
        
        
          if 
        
        
          (
        
        bind
        
          (
        
        m_Listening
        
          , (
        
        LPSOCKADDR
        
          ) &
        
        local
        
          , 
        
        
          sizeof
        
        
          (
        
        local
        
          )) == 
        
        SOCKET_ERROR
        
          )      {         
        
        closesocket
        
          (
        
        m_Listening
        
          );         
        
        
          return 
        
        
          ;      }     
        
        
          //创建监听线程,这样也能响应界面上操作。     
        
        m_hListenThread 
        
          = ::
        
        CreateThread
        
          (
        
        NULL
        
          , 
        
        
          0
        
        
          , 
        
        ListenThread
        
          , 
        
        
          this
        
        
          , 
        
        
          0
        
        
          ,          &
        
        dwThreadID
        
          );     
        
        m_StartBtn
        
          .
        
        EnableWindow
        
          (
        
        FALSE
        
          );     
        
        m_StopBtn
        
          .
        
        EnableWindow
        
          (
        
        TRUE
        
          ); } 
        
        
          //监听线程函数: 
        
        WORD WINAPI CServerDlg
        
          ::
        
        ListenThread
        
          (
        
        LPVOID lpparam
        
          ) {     
        
        CServerDlg 
        
          *
        
        pDlg 
        
          = (
        
        CServerDlg
        
          *)
        
        lpparam
        
          ;     
        
        
          if 
        
        
          (
        
        pDlg 
        
          == 
        
        NULL
        
          )         
        
        
          return 
        
        
          0
        
        
          ;     
        
        SOCKET Listening 
        
          = 
        
        pDlg
        
          ->
        
        m_Listening
        
          ;     
        
        
          //开始监听是否有客户端连接。     
        
        
          if 
        
        
          (
        
        listen
        
          (
        
        Listening
        
          , 
        
        
          40
        
        
          ) == 
        
        SOCKET_ERROR
        
          )      {         
        
        
          return 
        
        
          0
        
        
          ;      }     
        
        
          char 
        
        szBuf
        
          [
        
        MAX_PATH
        
          ];     
        
        
          //初始化     
        
        memset
        
          (
        
        szBuf
        
          , 
        
        
          0
        
        
          , 
        
        MAX_PATH
        
          );     
        
        
          while 
        
        
          (
        
        
          1
        
        
          )      {         
        
        SOCKET ConnectSocket
        
          ;         
        
        sockaddr_in ClientAddr
        
          ;         
        
        
          int 
        
        nLen 
        
          = 
        
        
          sizeof
        
        
          (
        
        sockaddr
        
          );         
        
        
          //阻塞直到有客户端连接,不然多浪费CPU资源。         
        
        ConnectSocket 
        
          = 
        
        accept
        
          (
        
        Listening
        
          , (
        
        sockaddr
        
          *) &
        
        ClientAddr
        
          , &
        
        nLen
        
          );         
        
        
          //都到客户端的IP地址。         
        
        
          char 
        
        
          *
        
        pAddrname 
        
          = 
        
        inet_ntoa
        
          (
        
        ClientAddr
        
          .
        
        sin_addr
        
          );         
        
        pDlg
        
          ->
        
        Receive
        
          (
        
        ConnectSocket
        
          , 
        
        szBuf
        
          , 
        
        
          100
        
        
          );         
        
        
          //界面上显示请求数据。         
        
        pDlg
        
          ->
        
        SetRequestText
        
          (
        
        szBuf
        
          );         
        
        strcat
        
          (
        
        szBuf
        
          , 
        
        
          " :我是老猫,收到("
        
        
          );         
        
        strcat
        
          (
        
        szBuf
        
          , 
        
        pAddrname
        
          );         
        
        strcat
        
          (
        
        szBuf
        
          , 
        
        
          ")"
        
        
          );         
        
        
          //向客户端发送回应数据         
        
        pDlg
        
          ->
        
        Send
        
          (
        
        ConnectSocket
        
          , 
        
        szBuf
        
          , 
        
        
          100
        
        
          );      }     
        
        
          return 
        
        
          0
        
        
          ; } 
        
      
    
  

 

服务器端一直在监听是否有客户端连接,如有连接,处理客户端的请求,给出回应,然后继续监听。

客户端:

客户端的发送函数:

    
      
        
          #define 
        
        DEFAULT_PORT 
        
          2000 
        
        
          void 
        
        CClientDlg
        
          ::
        
        OnSend
        
          () {     
        
        DWORD dwIP 
        
          = 
        
        
          0
        
        
          ;     
        
        TCHAR szText
        
          [
        
        MAX_PATH
        
          ];     
        
        memset
        
          (
        
        szText
        
          , 
        
        
          0
        
        
          , 
        
        MAX_PATH
        
          );     
        
        m_IP
        
          .
        
        GetWindowText
        
          (
        
        szText
        
          , 
        
        MAX_PATH
        
          );     
        
        
          //把字符串形式的IP地址转成IN_ADDR结构需要的形式。     
        
        dwIP 
        
          = 
        
        inet_addr
        
          (
        
        szText
        
          );     
        
        m_RequestEdit
        
          .
        
        GetWindowText
        
          (
        
        szText
        
          , 
        
        MAX_PATH
        
          );     
        
        ockaddr_in local
        
          ;     
        
        SOCKET socketTmp
        
          ;     
        
        
          //必须是AF_INET,表示该socket在Internet域中进行通信     
        
        local
        
          .
        
        sin_family 
        
          = 
        
        AF_INET
        
          ;     
        
        
          //端口号     
        
        local
        
          .
        
        sin_port 
        
          = 
        
        htons
        
          (
        
        DEFAULT_PORT
        
          );     
        
        
          //服务器的IP地址。     
        
        local
        
          .
        
        sin_addr
        
          .
        
        S_un
        
          .
        
        S_addr 
        
          = 
        
        dwIP
        
          ;     
        
        
          //初始化Socket     
        
        socketTmp 
        
          = 
        
        socket
        
          (
        
        AF_INET
        
          , 
        
        SOCK_STREAM
        
          , 
        
        
          0
        
        
          );     
        
        
          //连接服务器     
        
        
          if 
        
        
          (
        
        connect
        
          (
        
        socketTmp
        
          , (
        
        LPSOCKADDR
        
          ) &
        
        local
        
          , 
        
        
          sizeof
        
        
          (
        
        local
        
          )) < 
        
        
          0
        
        
          )      {         
        
        closesocket
        
          (
        
        socketTmp
        
          );         
        
        MessageBox
        
          (
        
        
          "连接服务器失败。"
        
        
          );         
        
        
          return 
        
        
          ;      }     
        
        
          //发送请求,为简单只发100字节,在服务器端也规定100字节。     
        
        Send
        
          (
        
        socketTmp
        
          , 
        
        szText
        
          , 
        
        
          100
        
        
          );     
        
        
          //读取服务器端返回的数据。     
        
        memset
        
          (
        
        szText
        
          , 
        
        
          0
        
        
          , 
        
        MAX_PATH
        
          );     
        
        
          //接收服务器端的回应。     
        
        Receive
        
          (
        
        socketTmp
        
          , 
        
        szText
        
          , 
        
        
          100
        
        
          );     
        
        CHAR szMessage
        
          [
        
        MAX_PATH
        
          ];     
        
        memset
        
          (
        
        szMessage
        
          , 
        
        
          0
        
        
          , 
        
        MAX_PATH
        
          );     
        
        strcat
        
          (
        
        szMessage
        
          , 
        
        szText
        
          );     
        
        
          //界面上显示回应数据。     
        
        m_ReplyBtn
        
          .
        
        SetWindowText
        
          (
        
        szMessage
        
          );     
        
        closesocket
        
          (
        
        socketTmp
        
          ); } 
        
      
    
  

客户端就一个函数完成了一次通信。在这里IP地址为何用127.0.0.1呢?使用这个IP地址,服务器端和客户端就能运行在同一台机器上,这样调试方便多了。当然你可以在你朋友的机器上运行Server程序(本人在局域网中测试过),在自己的机器上运行Client程序,当然输入的IP地址就该是你朋友机器的IP地址了。
简单的理论和实践都说了,现在Socket编程不神秘了吧?希望对你有些帮助。

===============================================================

以下是作者和读者的舌战,讨论的是套接字到底是什么东西,讨论来讨论去貌似没一个统一的意见

re:

BSD Socket是一个网络编程的API接口,它并非仅仅针对IP协议的。
把Socket放到TCP/UDP的协议上层似乎不是太妥当?

re:

其实socket也没有层的概念,在文章中我说过,它其实是一个facade设计模式的应用,让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中,我们大量用的都是通过socket实现的。

re:

将socket理解为tcp/udp的facade的确不够恰当。第一,socket并不是以面向对象的方式提供的,在这里引用面向对象和设计模式的术语失妥。第二,socket事实上并不是留给编程开发的,而是留给网络操作系统实现协议栈的一个支持模型。例如berkeley socket和windows socket。至于编程开发时使用的socket模型和相应的API,则是操作系统服务API。事实上socket也不是tcp/udp服务的全部而是部分。
不过文章归纳得还不错,只是没有提到tcp/udp中端口的概念是一大遗憾。如果用电话来对应网络会话的话,端口应该正好比分机号。

re:

其实对于facade设计模式,我的理解是不能局限于面向对象。facade定义是把很多复杂的东西放在后面,客户只需通过简单的接口,而不需要知道下面复杂的逻辑等。
当然由于我对socket还没有能达到很高的境界,所以还有很多不知的。我自己也正在学习,比如在socket编程中,select函数还是有很重要的地位的,等自己正在明白了,还会有下篇的介绍。

re:

楼主不够谦虚!楼主可能为自己“创造性地”将socket理解为tcp/ip的facade偷偷高兴呢,其实极其错误!
tcp/ip仅仅是一套协议、规范,并没有实体存在,是完全抽象的;socket模型则是清晰而具体的。而大部分情况下,门面模型是可有可无的,只是为了满足封装一个简单的外部门面而存在的,而你根本没有绕开socket去直接操纵tcp/ip的可能。换句话说,tcp/ip和socket并没有相提并论的前提,根本是为了解决同一个问题的两个步骤,是完全分离的。

re:

我想这不是谦虚不谦虚的问题,有问题就可以争论,你说呢?
有一点我想你说错了,牛人是可以绕过socket去直接操纵tcp/ip的,只要他对tcp/ip协议很了解。就说好的抓包程序,单用socket是无法实现的。

to 航天奇侠:
是用SmartDraw软件作的图。

re:

关系是不是搞反了哟。tcp/ip应该是建立在socket的基础之上的,"绕过socket去操作tcp/ip",还是第一次听到这样说。

re:

我们平时说的TCP/IP其实是一组协议,而不是一个叫TCP/IP的协议,它包括运输层,网络层,链路层。
我们经常用的是TCP和UDP。

re:

我晕...抓包程序 基本上是使用raw socket(原始套接字)实现的,这是socket的高级功能,并不是因为对tcp/ip协议很了解,而是对socket很了解(当然不了解tcp/ip也无法理解高级的socket)。离开特定操作系统(或者虚拟机)讨论tcp/ip的编程是没有意义的。
@yf2008:没有tcp/ip建立在socket之上或者socket建立在tcp/ip之上这样的说法,都有自己的独立的完整体系,其功能也完全不同。

re:

raw socket其实就是跳过TCP,UDP这一层。用socket我们不光是只发数据了,还要TCP和UDP的头。
为何不能跳过socket呢?我个人觉得可以。跳过它,都自己干。当然这要很大的勇气和足够的知识。呵呵。
我看socket编程还是有很多讨论的地方的吗?欢迎多加讨论,这样我们就能搞清楚它了。共同进步是我们的目标。

shootingstar re:

呵呵,越讨论越乱了 *_*
谈谈我的看法:
ip仅仅是一个协议,大家按照这个协议规范来发送和解析这个某个流。

大家可以自己一个字节一个字节来构建自己的IP数据报文,并非一定需要通过socket接口。(通过流行的winpcap,你可以抛开socket,发送自己构建的任意的IP报文)

socket是一个大家都认为好用的构建和解析IP协议的接口而已(当然socket并非仅仅能够构建和解析ip协议),其实有很多嵌入式设备还有其他的网络通讯接口(比如LWIP)。只不过在大部分操作系统上socket更加通用而已。

将socket放在tcp协议的上层或许说有些不妥,那么将tcp放在socket上层就更没有道理了。抓包程序完全可以不利用raw socket,目前的sniffer都是直接从驱动程序获得网络流,然后自己解析的。

re:

shootingstar:
我同意你的观点。
在我的文章中,我把socket看成一个抽象层,其实它不和运输层,网络层,链路层是同一概念的。看成一个抽象层,是为了更好的表达我想说的意思。在我看来,socket就是一组API,它把复杂的协议都放在后面了。

re:

固执的楼主还在坚持tcp有一个叫socket的facade吗?

@shootingstar:
当然可以不通过raw socket抓包,直接从数据链路层截获数据的话与tcp/udp就没有任何关系了。我的意图是针对楼主的socket是tcp/udp的facade的讲法的,并没有说只能通过raw socket抓包。

re:

什么是facade模式,你知道吗?
为一组具有复杂且全面的接口对象提供一个简单特定的接口。

我没有说tcp有一个叫socket的发擦的,而是tcp/ip,把tcp/ip协议看成一个协议的子系统,socket是一组API,难道不像facade模式吗?
我不是听了你上面的话而感到气愤,也不是我固执,主要是你没有给我很有力的理由

SOCKET编程原理


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