原理

基本概念

什麼是TCP/IP、UDP？

詳細的可以看一下這個：學習計算機網路知識只要一篇就夠了！

• TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即傳輸控制協議/網間協議，是一個工業標準的協議集，它是為廣域網（WANs）設計的。TCP/IP協議族包括運輸層、網路層、鏈路層
• UDP（User Data Protocol，使用者資料報協議）是與TCP相對應的協議。它是屬於TCP/IP協議族中的一種。 這裡有一張圖，表明了這些協議的關係。

Socket在哪裡

Socket是什麼

Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟體抽象層，它是一組介面。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket介面後面，對使用者來說，一組簡單的介面就是全部，讓Socket去組織資料，以符合指定的協議。

如何使用

前人已經給我們做了好多的事了，網路間的通訊也就簡單了許多，但畢竟還是有挺多工作要做的。以前聽到Socket程式設計，覺得它是比較高深的程式設計知識，但是隻要弄清Socket程式設計的工作原理，神祕的面紗也就揭開了。

一個生活中的場景。你要打電話給一個朋友，先撥號，朋友聽到電話鈴聲後提起電話，這時你和你的朋友就建立起了連線，就可以講話了。等交流結束，結束通話電話結束此次交談。 生活中的場景就解釋了這工作原理，也許TCP/IP協議族就是誕生於生活中，這也不一定。 先從伺服器端說起。伺服器端先初始化Socket，然後與埠繫結(bind)，對埠進行監聽(listen)，呼叫accept阻塞，等待客戶端連線。在這時如果有個客戶端初始化一個Socket，然後連線伺服器(connect)，如果連線成功，這時客戶端與伺服器端的連線就建立了。客戶端傳送資料請求，伺服器端接收請求並處理請求，然後把迴應資料傳送給客戶端，客戶端讀取資料，最後關閉連線，一次互動結束。

原理

1、網路中程序之間如何通訊？

本地的程序間通訊（IPC）有很多種方式，但可以總結為下面4類：

• 訊息傳遞（管道、FIFO、訊息佇列）

• 同步（互斥量、條件變數、讀寫鎖、檔案和寫記錄鎖、訊號量）

• 共享記憶體（匿名的和具名的）

• 遠端過程呼叫（Solaris門和Sun RPC）

但這些都不是本文的主題！我們要討論的是網路中程序之間如何通訊？首要解決的問題是如何唯一標識一個程序，否則通訊無從談起！在本地可以通過程序PID來唯一標識一個程序，但是在網路中這是行不通的。其實TCP/IP協議族已經幫我們解決了這個問題，網路層的“ip地址”可以唯一標識網路中的主機，而傳輸層的“協議+埠”可以唯一標識主機中的應用程式（程序）。這樣利用三元組（ip地址，協議，埠）就可以標識網路的程序了，網路中的程序通訊就可以利用這個標誌與其它程序進行互動。

使用TCP/IP協議的應用程式通常採用應用程式設計介面：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網路程序之間的通訊。就目前而言，幾乎所有的應用程式都是採用socket，而現在又是網路時代，網路中程序通訊是無處不在，這就是我為什麼說“一切皆socket”。

2、Socket是什麼？

上面我們已經知道網路中的程序是通過socket來通訊的，那什麼是socket呢？socket起源於Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆檔案”，都可以用“開啟open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的一個實現，socket即是一種特殊的檔案，一些socket函式就是對其進行的操作（讀/寫IO、開啟、關閉），這些函式我們在後面進行介紹。

socket一詞的起源 在組網領域的首次使用是在1970年2月12日釋出的文獻IETF RFC33中發現的，撰寫者為Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據美國計算機歷史博物館的記載，Croker寫道：“名稱空間的元素都可稱為套接字介面。一個套接字介面構成一個連線的一端，而一個連線可完全由一對套接字介面規定。”計算機歷史博物館補充道：“這比BSD的套接字介面定義早了大約12年。”

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實現，那麼socket就提供了這些操作對應的函式介面。下面以TCP為例，介紹幾個基本的socket介面函式。(以下為C++）

3.1、socket()函式

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函式對應於普通檔案的開啟操作。普通檔案的開啟操作返回一個檔案描述字，而socket()用於建立一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟檔案描述字一樣，後續的操作都有用到它，把它作為引數，通過它來進行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同引數值，以開啟不同的檔案。建立socket的時候，也可以指定不同的引數建立不同的socket描述符，socket函式的三個引數分別為：

• domain：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址型別，在通訊中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與埠號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
• type：指定socket型別。常用的socket型別有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的型別有哪些？）。
• protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議。

注意：上面的type和protocol不是可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type型別對應的預設協議。

注意：當我們呼叫socket建立一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須呼叫bind()函式，否則就當呼叫connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個埠。

3.2、bind()函式

正如上面所說bind()函式把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和埠號組合賦給socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函式的三個引數分別為：

• sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函式建立了，唯一標識一個socket。bind()函式就是將給這個描述字繫結一個名字。
• addr：一個const struct sockaddr *指標，指向要繫結給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址建立socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; 
    in_port_t      sin_port;   
    struct in_addr sin_addr;   
};


struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     
};

ipv6對應的是：

struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;    
    in_port_t       sin6_port;      
    uint32_t        sin6_flowinfo;  
    struct in6_addr sin6_addr;      
    uint32_t        sin6_scope_id;  
};

struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];    
};

Unix域對應的是：

#define UNIX_PATH_MAX    108

struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;                
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];   
};

• addrlen：對應的是地址的長度。

通常伺服器在啟動的時候都會繫結一個眾所周知的地址（如ip地址+埠號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連伺服器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個埠號和自身的ip地址組合。這就是為什麼通常伺服器端在listen之前會呼叫bind()，而客戶端就不會呼叫，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網路位元組序與主機位元組序 主機位元組序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的位元組序型別，這些位元組序是指整數在記憶體中儲存的順序，這個叫做主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：

• 1. Little-Endian就是低位位元組排放在記憶體的低地址端，高位位元組排放在記憶體的高地址端。
• 2. Big-Endian就是高位位元組排放在記憶體的低地址端，低位位元組排放在記憶體的高地址端。

網路位元組序：4個位元組的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端位元組序。由於TCP/IP首部中所有的二進位制整數在網路中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網路位元組序。位元組序，顧名思義位元組的順序，就是大於一個位元組型別的資料在記憶體中的存放順序，一個位元組的資料沒有順序的問題了。

所以： 在將一個地址繫結到socket的時候，請先將主機位元組序轉換成為網路位元組序，而不要假定主機位元組序跟網路位元組序一樣使用的是Big-Endian。由於 這個問題曾引發過血案！公司專案程式碼中由於存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機位元組序不要做任何假定，務必將其轉化為網路位元組序再 賦給socket。

3.3、listen()、connect()函式

如果作為一個伺服器，在呼叫socket()、bind()之後就會呼叫listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時呼叫connect()發出連線請求，伺服器端就會接收到這個請求。

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函式的第一個引數即為要監聽的socket描述字，第二個引數為相應socket可以排隊的最大連線個數。socket()函式建立的socket預設是一個主動型別的，listen函式將socket變為被動型別的，等待客戶的連線請求。

connect函式的第一個引數即為客戶端的socket描述字，第二引數為伺服器的socket地址，第三個引數為socket地址的長度。客戶端通過呼叫connect函式來建立與TCP伺服器的連線。

3.4、accept()函式

TCP伺服器端依次呼叫socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次呼叫socket()、connect()之後就想TCP伺服器傳送了一個連線請求。TCP伺服器監聽到這個請求之後，就會呼叫accept()函式取接收請求，這樣連線就建立好了。之後就可以開始網路I/O操作了，即類同於普通檔案的讀寫I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept函式的第一個引數為伺服器的socket描述字，第二個引數為指向struct sockaddr *的指標，用於返回客戶端的協議地址，第三個引數為協議地址的長度。如果accpet成功，那麼其返回值是由核心自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連線。

注意：accept的第一個引數為伺服器的socket描述字，是伺服器開始呼叫socket()函式生成的，稱為監聽socket描述字；而accept函式返回的是已連線的socket描述字。一個伺服器通常通常僅僅只建立一個監聽socket描述字，它在該伺服器的生命週期內一直存在。核心為每個由伺服器程序接受的客戶連線建立了一個已連線socket描述字，當伺服器完成了對某個客戶的服務，相應的已連線socket描述字就被關閉。

3.5、read()、write()函式等

萬事具備只欠東風，至此伺服器與客戶已經建立好連線了。可以呼叫網路I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同程序之間的通訊！網路I/O操作有下面幾組：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto() 我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函式，這兩個函式是最通用的I/O函式，實際上可以把上面的其它函式都替換成這兩個函式。它們的宣告如下：

    #include 

       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

       #include 
       #include 

       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
       ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函式是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的位元組數，如果返回的值是0表示已經讀到檔案的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網路連接出了問題。

write函式將buf中的nbytes位元組內容寫入檔案描述符fd.成功時返回寫的位元組 數。失敗時返回-1，並設定errno變數。在網路程式中，當我們向套接字檔案描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是 全部的資料。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤型別來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示 網路連接出現了問題(對方已經關閉了連線)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了，具體參見man文件或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

3.6、close()函式

在伺服器與客戶端建立連線之後，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完開啟的檔案要呼叫fclose關閉開啟的檔案。

#include 
int close(int fd);

close一個TCP socket的預設行為時把該socket標記為以關閉，然後立即返回到呼叫程序。該描述字不能再由呼叫程序使用，也就是說不能再作為read或write的第一個引數。

注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向伺服器傳送終止連線請求。

4、socket中TCP的三次握手建立連線詳解

我們知道tcp建立連線要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下：

• 客戶端向伺服器傳送一個SYN J
• 伺服器向客戶端響應一個SYN K，並對SYN J進行確認ACK J+1
• 客戶端再想伺服器發一個確認ACK K+1

只有就完了三次握手，但是這個三次握手發生在socket的那幾個函式中呢？請看下圖： 從圖中可以看出，當客戶端呼叫connect時，觸發了連線請求，向伺服器傳送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態；伺服器監聽到連線請求，即收到SYN J包，呼叫accept函式接收請求向客戶端傳送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到伺服器的SYN K ，ACK J+1之後，這時connect返回，並對SYN K進行確認；伺服器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，連線建立。

總結：客戶端的connect在三次握手的第二個次返回，而伺服器端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手釋放連線詳解

上面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程，及其涉及的socket函式。現在我們介紹socket中的四次握手釋放連線的過程，請看下圖：

圖示過程如下：

• 某個應用程序首先呼叫close主動關閉連線，這時TCP傳送一個FIN M；

• 另一端接收到FIN M之後，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也作為檔案結束符傳遞給應用程序，因為FIN的接收意味著應用程序在相應的連線上再也接收不到額外資料；

• 一段時間之後，接收到檔案結束符的應用程序呼叫close關閉它的socket。這導致它的TCP也傳送一個FIN N；

• 接收到這個FIN的源傳送端TCP對它進行確認。

這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。

6、一個例子

首先，先給出實現的截圖

伺服器端程式碼如下：

#include "InitSock.h" 
#include <stdio.h> 
#include <iostream>
using namespace std;
CInitSock initSock;     // 初始化Winsock庫 
 
int main() 
{ 
    // 建立套節字 
    SOCKET sListen = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
	//用來指定套接字使用的地址格式，通常使用AF_INET
    //指定套接字的型別，若是SOCK_DGRAM，則用的是udp不可靠傳輸
	//配合type引數使用，指定使用的協議型別（當指定套接字型別後，可以設定為0，因為預設為UDP或TCP）
    if(sListen == INVALID_SOCKET) 
    { 
        printf("Failed socket() \n"); 
        return 0; 
    } 
     
    // 填充sockaddr_in結構 ,是個結構體
	/* struct sockaddr_in {
	
	short sin_family;  //地址族（指定地址格式） ，設為AF_INET
	u_short	sin_port; //埠號
	struct in_addr sin_addr; //IP地址
	char sin_zero[8]; //空子節，設為空
	} */
 
    sockaddr_in sin; 
    sin.sin_family = AF_INET; 
    sin.sin_port = htons(4567);  //1024 ~ 49151：普通使用者註冊的埠號
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY; 
     
    // 繫結這個套節字到一個本地地址 
    if(::bind(sListen, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR) 
    { 
        printf("Failed bind() \n"); 
        return 0; 
    } 
     
    // 進入監聽模式 
	//2指的是，監聽佇列中允許保持的尚未處理的最大連線數
 
    if(::listen(sListen, 2) == SOCKET_ERROR) 
    { 
        printf("Failed listen() \n"); 
        return 0; 
    } 
     
    // 迴圈接受客戶的連線請求 
    sockaddr_in remoteAddr;  
    int nAddrLen = sizeof(remoteAddr); 
    SOCKET sClient = 0; 
    char szText[] = " TCP Server Demo! \r\n"; 
    while(sClient==0) 
    { 
        // 接受一個新連線 
		//（(SOCKADDR*)&remoteAddr）一個指向sockaddr_in結構的指標，用於獲取對方地址
        sClient = ::accept(sListen, (SOCKADDR*)&remoteAddr, &nAddrLen); 
        if(sClient == INVALID_SOCKET) 
        { 
            printf("Failed accept()"); 
        } 
         
         
        printf("接受到一個連線：%s \r\n", inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr)); 
        continue ; 
    } 
 
    while(TRUE) 
    { 
        // 向客戶端傳送資料 
        gets(szText) ; 
        ::send(sClient, szText, strlen(szText), 0); 
         
        // 從客戶端接收資料 
        char buff[256] ; 
        int nRecv = ::recv(sClient, buff, 256, 0); 
        if(nRecv > 0) 
        { 
            buff[nRecv] = '\0'; 
            printf(" 接收到資料：%s\n", buff); 
        } 
     
    } 
 
    // 關閉同客戶端的連線 
    ::closesocket(sClient); 
         
    // 關閉監聽套節字 
    ::closesocket(sListen); 
 
    return 0; 
} 

客戶端程式碼：

#include "InitSock.h" 
#include <stdio.h> 
#include <iostream> 
using namespace std;
CInitSock initSock;     // 初始化Winsock庫 
 
int main() 
{ 
    // 建立套節字 
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); 
    if(s == INVALID_SOCKET) 
    { 
        printf(" Failed socket() \n"); 
        return 0; 
    } 
     
    // 也可以在這裡呼叫bind函式繫結一個本地地址 
    // 否則系統將會自動安排 
     
    // 填寫遠端地址資訊 
    sockaddr_in servAddr;  
    servAddr.sin_family = AF_INET; 
    servAddr.sin_port = htons(4567); 
    // 注意，這裡要填寫伺服器程式（TCPServer程式）所在機器的IP地址 
    // 如果你的計算機沒有聯網，直接使用127.0.0.1即可 
    servAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1"); 
     
    if(::connect(s, (sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1) 
    { 
        printf(" Failed connect() \n"); 
        return 0; 
    } 
     
    char buff[256]; 
    char szText[256] ; 
     
    while(TRUE) 
    { 
        //從伺服器端接收資料 
        int nRecv = ::recv(s, buff, 256, 0); 
        if(nRecv > 0) 
        { 
            buff[nRecv] = '\0'; 
            printf("接收到資料：%s\n", buff); 
        } 
 
        // 向伺服器端傳送資料 
 
        gets(szText) ; 
        szText[255] = '\0'; 
        ::send(s, szText, strlen(szText), 0) ; 
         
    } 
     
    // 關閉套節字 
    ::closesocket(s); 
    return 0; 
} 

封裝的InitSock.h

#include <winsock2.h> 
#include <stdlib.h>  
#include <conio.h>  
#include <stdio.h>  
 
#pragma comment(lib, "WS2_32")  // 連結到WS2_32.lib 
 
class CInitSock      
{ 
public: 
    CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2) 
    { 
        // 初始化WS2_32.dll 
        WSADATA wsaData; 
        WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer); 
        if(::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0) 
        { 
            exit(0); 
        } 
    } 
    ~CInitSock() 
    {    
        ::WSACleanup();  
    } 
}; 

Java實現

JAVA網路程式設計之Socket用法 Java 網路程式設計 之 socket 的用法與實現

C語言實現

c語言socket雙向通訊+一服務端對多客戶端通訊

C++實現

C++:實現socket通訊（TCP/IP）例項 Socket通訊——Linux下，使用C/C++