网络编程知识点总结（2）

网络编程就是编写程序使两台联网的计算机相互交换数据。

那么，这两台计算机之间用什么传输数据呢？首先你肯定先需要物理连接嘛。

在此基础上，只需要考虑如何编写数据传输程序。看似很麻烦，但实际上这点不用愁，因为操作系统已经提供了 socket。即使对网络数据传输的原理不太熟悉，我们也能通过 socket 来编程。

一、什么是socket

socket 的原意是“插座”，在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。

通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。

socket 的典型应用就是 Web 服务器和浏览器：浏览器获取用户输入的 URL，向服务器发起请求，服务器分析接收到的 URL，将对应的网页内容返回给浏览器，浏览器再经过解析和渲染，就将文字、图片、视频等元素呈现给用户。

例如我们每天浏览网页、QQ 聊天、收发 email 等等。

二、socket 套接字的分类

这个世界上有很多种套接字，Internet 套接字、Unix套接字、X.25 套接字等。

这里我们讨论 Internet 套接字，它是最具代表性的，也是最经典最常用的。我们经常提及的套接字，基本也都是指 Internet 套接字。

根据数据的传输方式，可以将 Internet 套接字分成两种类型。

通过 socket() 函数创建连接时，必须告诉它使用哪种数据传输方式。

1、流格式套接字（SOCK_STREAM）

流格式套接字（Stream Sockets）也叫“面向连接的套接字”，在代码中使用 SOCK_STREAM 表示。

SOCK_STREAM 是一种可靠的、双向的通信数据流，数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送。

SOCK_STREAM 有以下几个特征：

数据在传输过程中不会消失；
数据是按照顺序传输的；
数据的发送和接收不是同步的（有的说法也称“不存在数据边界”）。

可以将 SOCK_STREAM 想象成一条传输带，只要传输带本身没有问题（不会断网），就能保证数据不丢失；同时，较晚传送的数据不会先到达，较早传送的数据不会晚到达，这就保证了数据是按照顺序传递的。

为什么流格式套接字可以达到高质量的数据传输呢？这是因为它使用了 TCP 协议（The Transmission Control Protocol，传输控制协议），TCP 协议会控制你的数据按照顺序到达并且没有错误。

你也许见过 TCP，是因为你经常听说“TCP/IP”。TCP 用来确保数据的正确性，IP（Internet Protocol，网络协议）用来控制数据如何从源头到达目的地，也就是常说的“路由”。

那么，“数据的发送和接收不同步”该如何理解呢？

假设传输带传送的是水果，接收者需要凑齐 100 个后才能装袋，但是传送带可能把这 100 个水果分批传送，比如第一批传送 20 个，第二批传送 50 个，第三批传送 30 个。接收者不需要和传送带保持同步，只要根据自己的节奏来装袋即可，不用管传送带传送了几批，也不用每到一批就装袋一次，可以等到凑够了 100 个水果再装袋。

流格式套接字的内部有一个缓冲区（也就是字符数组），通过 socket 传输的数据将保存到这个缓冲区。接收端在收到数据后并不一定立即读取，只要数据不超过缓冲区的容量，接收端有可能在缓冲区被填满以后一次性地读取，也可能分成好几次读取。

也就是说，不管数据分几次传送过来，接收端只需要根据自己的要求读取，不用非得在数据到达时立即读取。传送端有自己的节奏，接收端也有自己的节奏，它们是不一致的。

2、数据报格式套接字（SOCK_DGRAM）

数据报格式套接字（Datagram Sockets）也叫“无连接的套接字”，在代码中使用 SOCK_DGRAM 表示。

计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。

因为数据报套接字所做的校验工作少，所以在传输效率方面比流格式套接字要高。

可以将 SOCK_DGRAM 比喻成高速移动的摩托车快递，它有以下特征：

强调快速传输而非传输顺序；
传输的数据可能丢失也可能损毁；
限制每次传输的数据大小；
数据的发送和接收是同步的（也称为“存在数据边界”）。

总之，数据报套接字是一种不可靠的、不按顺序传递的、以追求速度为目的的套接字。

数据报套接字也使用 IP 协议作路由，但是它不使用 TCP 协议，而是使用 UDP 协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。

QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 来传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响。

注意：SOCK_DGRAM 没有想象中的糟糕，不会频繁的丢失数据，数据错误只是小概率事件。

三、socket 服务器和客户端的开发步骤

1.创建套接字

socket()函数

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

domain:
指明所使用的协议族，通常为 AF_INET，表示互联网协议族(TCP/IP 协议族)
AF_INET IPv4因特网域.
AF_INET6 IPv6 因特网域
AF_UNIX Unix 域
AF_ROUTE 路由套接字
AF_KEY 密钥套接字
AF_UNSPEC 未指定
type参数指定 socket 的类型
SOCK_STREAM:
流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流，它使用 TCP 协议，从而保证了数据传输的正确性和顺序性
SOCK_DGRAM：
数据报套接字定义了一种无连接的服，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用教据报协议UDP
SOCK_RAW：允许程序使用低层协议，原始套接字允许对底层协议如 IP 或 ICMP 进行直接访问，功能强大但使用较为不便，主要用于一些协议的开发

protocol:
通常赋值"0"
0选择type类型对应的默认协议
IPPROTO_TCP TCP 传输协议
IPPROTO_UDP UDP 传输协议
IPPROTO_SCTP SCTP 传输协议
IPPROTO_TIPC TIPC 传输协议

2.为套接字添加信息 (IP地址和端口号)

bind()函数: IP号端口号与相应描述字赋值函数

#include <sys/types.h>   /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

功能
用于绑定 IP 地址和端口号到 socketfd
参数
sockfd
是一个 socket 描述符
addr
是一个指向包含有本机 IP 地址及端口号等信息的 sockaddr 类型的指指向要绑定给 sockfd 的协议地址结构,这个地址结构根据地址创建 socket 时的地址协议族的不同而不同

struct sockaddr{unisgned short as_family;    //协议族                                              char sa_data[14];            //IP+端口
};

同等替换

struct sockaddr_in {sa_family_t sin_family; //协议族in_port_t sin_port;  //端口号struct in_addr sin_addr;  //IP地址结构体unsigned char sin_zero[8];  //没有实际意义只是为跟sockaddr结构在内存中对亮这样两者才能相互转换
};

地址转换API

int inetaton(const char* straddrstruct in_addr *addrp); 把字符串形式的“192.168.1.123”转为网络能识别的格式

char* inetntoa(struct in_addr inaddr); 把网络格式的ip地址转为字符串形式

3.监听网络连接

listen()函数:监听设置函数

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

功能
设置处理的最大连接数，listen()并未开始接受连线，只是设置 sockect 的 listen 模式，listen 函数只用于服务器端，服务器进程不知道要与谁连接，因此，它不会主动此要求与某个进程连接，只是一直监听是否有其他客户进程与之连接，然后响应该连接清求，并对它做出处理，一个服务进程可以同时处理多个客户进程的连接。主要就两个功能:将一个未连接的套接字转换为一个被动套接字(监听)，规定内核为相应套接字排队的最大连接数。
内核为任何一个给定监听套接字维护两个队列:
(1) 未完成连接队列，每个这样的 SYN 报文段对应其中一项:已由某个客户端发出并到达服务器，而服务正在等待完成相应的 TCP 三次握手过程。这些套接字处于SYN_REVD 状态
(2) 已完成连接队列，每个已完成 TCP 三次握手过程的客户端对应其中一项。这些套接字处于 ESTABLISHED 状态

参数
sockfd
sockfd 是 socket 系统调用返回的服务器端 socket 描述符
backlog
backlog 指定在请求队列中允许的最大请求数

4.监听到有客户端接入，接受一个连接

accept()函数

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

功能
accept 函数由 TCP 服务器调用，用于从已完成连接队列队头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。

参数
sockfd
sockfd是 socket 系统调用返回的服务器端 socket 描述符
addr
用来返回已连接的对端(客户端)的协议地址
addrled
客户端地址长度
返回值
该函数的返回值是一个新的套接字描术符，返回值是表示已连接的套接字描述待，而第一个参教是服务跟监听套接字描术待。一个服务器通常仅仅创建一个监听套接字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务进程接受的客户连接创建一个已连接套接字(表示 TCP 三次握手已完成)，当服务器完成对某个给定客户的服务时，相应的已连接套接字就会被关闭。

5.数据交互（数据收发）

(1)字节流读取函数

在套接字通信中进行字节读取函数:read(),write()。与I/O 中的读取函数略有区别，因为它们输入或输出的字节数比可能比请求的少

ssize_t write(int fd, const void*buf,size_t nbytes);
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t nbyte);/*函数均返回读或写的字节个数，出错则返回-1 */

第一个将 buf 中的 nbytes 个字节写入到文性描术符 fd 中，成功时返回写的字节数。第二个为从fd 中读取 nbyte 个字节到 buf 中，返回实际航读的字节数。详细应用说明参考使用 read write 读写 socket(套节字)。网络I/0还有一些函数例如: recv() / send()，readv()/writev()，recvmsg()/ sendmsg()， recvfrom()/ sendto()等

(2)在TCP套接字上发送数据函数:有连接

ssize _t send(int s,const void *msg,size_t len,int flags);
//包含3要素: 接字s，待发数据msg，数据长度/en
//函数只能对处于连接状态的套接字使用，参数s为已建立好连接的套接字描述符，即accept函数的返回值
//参数msg指向存放待发送数据的缓冲区
//参数len为待发送数据的长度，参数flags为控制选项，一般设置为0

（3）在TCP套接字上接收数据函数: 有连接

ssize_t recv(int s,void *buf,size_t len,int flags);//包合3要素:套接字s，接收缓冲区buf，长len
//函数recv从参数s所指定的套接字述符(必须是面向连接的套接)上接收数据并保存到参教buf指定的缓冲区
//参数len则为缓冲区长度，参数flags为控制选项一般设置为0

(4) 客户端的connect函数

connect()函数:客户机连接主机

#include <sys/types.h>   /* See NOTES*/
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr ,socklen_t addrlen);

功能
该函数用于绑定之后的 client 端(客户端)，与服务器建立连接
参数
sockfd
是目的服务器的 sockect 描述符
addr
是服务器端的 IP 地址和端口号的地址结构指针
addrlen
地址长度常被设置为 sizeof(struct sockaddr)返回值
成功返回0，遇到错误时返回 -1，并且 errno 中包含相应的错误码