《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 2：套接字类型与协议设置

《TCP/IP 网络编程》学习笔记 | Chapter 2：套接字类型与协议设置

《TCP/IP 网络编程》学习笔记 | Chapter 2：套接字类型与协议设置
- 套接字协议及其数据传输特性
- - 协议（Protocol）
  - 创建套接字
  - 协议族（Protocol Family）
  - 套接字类型（Type）
  - - 套接字类型1：面向连接的套接字（SOCK_STREAM）
    - 套接字类型2：面向消息的套接字（SOCK_DGRAM）
  - 协议的最终选择
- 面向连接的套接字：TCP套接字示例
- Windows平台下的实现及验证
- - Windows操作系统的socket函数
  - 基于Windows的TCP套接字示例
- 习题
- - （1）什么是协议？在收发数据中定义协议有何意义？
  - （2）面向连接的TCP套接字传输特性有3点，请分别说明。
  - （3）下面哪些是面向消息的套接字的特性？
  - （4）下列数据适合用哪些套接字传输？并给出原因。
  - （5）何种类型的套接字不存在数据边界？这类套接字接收数据时需要注意什么？
  - （6）tcp_server.c和tcp_client.c中需要多次调用read函数读取服务器调用1次write函数传递的字符串。更改程序，使服务器端多次调用（次数自拟）write函数传输数据，客户端调用1次read函数进行读取。为达到这一目的，客户端需延迟调用read函数，因为客户端要等待服务器端传输所有数据。

TCP IP__Chapter_2_4">《TCP/IP 网络编程》学习笔记 | Chapter 2：套接字类型与协议设置

套接字协议及其数据传输特性

协议（Protocol）

协议就是一种规则，是为了完成数据交换而定的约定。

创建套接字

#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);

成功返回文件描述符，否则-1。

参数：

domain：使用的协议族信息
type：数据传输类型信息
protocol：通信时用的协议信息

协议族（Protocol Family）

头文件sys/socket.h中声明的协议族：

名称	协议族
PF_INET	IPV4互联网协议族
PF_INET6	IPV6互联网协议族
PF_LOCAL	本地通信的UNIX协议族
PF_PACKET	底层套接字的协议族
PF_IPX	IPX Novell的协议族

套接字中，实际采用的最终协议信息是通过第三个参数传递的。但是第一个参数决定着第三个参数。

套接字类型（Type）

套接字类型1：面向连接的套接字（SOCK_STREAM）

特征：

传输过程中数据不会消失
按序传输数据
传输的数据不存在数据边界（Boundary）

如何理解数据边界呢？

比如：计算机通过三次write传输了100字节的数据，但是接收数据的计算机仅通过一次read就接收了100字节的数据。

因为收发数据的套接字内部由缓冲（一个字节数组），因此数据也保存到该数组中。因此只要不超过数组容量，read函数和write函数调用次数没什么意义。

即使缓冲已满，也不代表数据丢失。如果read比接受数据的速度慢，则有可能会被填满。此时无法接受数据，但不意味着丢失，因为传输套接字将会停止传输。即面向连接的套接字会根据接收端的状态传输数据，如果传输出错还会重传。因此除特殊情况外，面向连接的套接字不会发生数据丢失。

需要注意：套接字必须一一对应。面向连接的套接字只能与另外一个同样特性的套接字连接。

总的来说，面向连接的套接字是：可靠的、按序传递的、基于字节的面向连接的数据传输方式的套接字。

套接字类型2：面向消息的套接字（SOCK_DGRAM）

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
传输的数据有数据边界
限制每次传输的数据大小

总结：不可靠的、不按序传递的、以数据的高速传输为目的的套接字。

协议的最终选择

第三个参数决定最终采用的协议。尽管我们已经通过第一个参数设置协议族信息，第二个参数设置套接字数据传输方式，但是大家要知道：同一协议族中存在多个数据传输方式相同的协议。

所以数据传输方式相同，但是协议不同。

基于IPv4和面向连接，只有IPPROTO_TCP协议满足。该套接字称为TCP套接字。

int tcp_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

SOCK_DGRAM指的是面向消息的数据传输方式，满足上述条件的协议只有IPPROTO_UDP这种套接字称为UDP套接字。

int udp_socket = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

TCP_114">面向连接的套接字：TCP套接字示例

服务端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>void error_handling(char* message);int main(int argc,char* argv[])
{int sock;struct sockaddr_in serv_addr;char message[30];int str_len;if(argc!=3){printf("Usage:%s <IP> <port>\n",argv[0]);exit(1);}sock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sock==-1){error_handling("socket() error!");}memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serv_addr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));if(connect(sock,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr))==-1){error_handling("connect() error!");}str_len = read(sock,message,sizeof(message)-1);if(str_len==-1){error_handling("read() error!");}printf("Message from server:%s \n",message);close(sock);return 0;
}void error_handling(char* message)
{fputs(message,stderr);fputc('\n',stderr);exit(1);
}

客户端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>void error_handling(char *message);int main (int argc, char *argv[])
{int sock;struct sockaddr_in serv_addr;char message[30];int str_len;int idx = 0, read_len = 0;if(argc != 3){printf("Usage: %s <IP> <port> \n", argv[0]);exit(1);}//若前两个参数是PF_INET,SOCK_STREAM则可省略第三个参数sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sock == -1)error_handling("socket() error");memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if(connect(sock,(struct sockaddr*) &serv_addr,sizeof(serv_addr)) == -1)error_handling("connect() error");
//此处每次读取一个字节。while(read_len = read(sock, &message[idx++], 1)){if(read_len == -1)error_handling("read() error");str_len += read_len;}printf("Message from server : %s \n", message);printf("Function read call count: %d \n",str_len);close(sock);return 0;
}void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n',stderr);exit(1);
}

从运行结果可以看出，服务端发送了13字节的数据，客户端调用了13次read函数进行读取。由此验证TCP套接字的特性：不存在数据边界。

Windows平台下的实现及验证

因为套接字类型及传输特性与操作系统无关，所以只需要了解返回类型即可。

Windows操作系统的socket函数

Windows和Linux的函数名都相同，只是返回值不同。下面给出声明：

#inclde <winsock2.h>SOCKET socket(int af, int type, int protocol);

成功返回句柄，否则返回INVALID_SOCKET（实质上是-1）。

TCP_270">基于Windows的TCP套接字示例

服务端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>void ErrorHanding(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}int main(int argc, char *argv[])
{WSADATA wsaData;SOCKET hServerSock, hClientSock;SOCKADDR_IN serverAddr, clientAddr;int szClientAddr;char message[] = "Hello World!";if (argc != 2){printf("Usage: %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)ErrorHanding("WSAStartup() 	error!");hServerSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (hServerSock == INVALID_SOCKET)ErrorHanding("socket() 	error!");memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(hServerSock, (SOCKADDR *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR)ErrorHanding("bind() error!");if (listen(hServerSock, 5) == SOCKET_ERROR)ErrorHanding("listen() error!");szClientAddr = sizeof(clientAddr);hClientSock = accept(hServerSock, (SOCKADDR *)&clientAddr, &szClientAddr);if (hClientSock == INVALID_SOCKET)ErrorHanding("accept() error!");send(hClientSock, message, sizeof(message), 0);closesocket(hClientSock);closesocket(hServerSock);WSACleanup();return 0;
}

客户端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <winsock2.h>void error_handling(const char *message);int main(int argc, char *argv[])
{WSADATA wsaData;SOCKET hSocket;SOCKADDR_IN serverAddr;char message[30];int strLen = 0;int idx = 0, readLen = 0;if (argc != 3){printf("Usage: %s <IP> <port>\n", argv[0]);exit(1);}if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)error_handling("WSAStartup() error");hSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (hSocket == INVALID_SOCKET)error_handling("hSocket() error");memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if (connect(hSocket, (SOCKADDR *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR)error_handling("connect() error");while (readLen = recv(hSocket, &message[idx++], 1, 0)){if (readLen == -1)error_handling("read() error");strLen += readLen;if (message[idx - 1] == '\0')break;}printf("Message from server: %s\n", message);printf("Function read call count: %d\n", strLen);closesocket(hSocket);WSACleanup();return 0;
}void error_handling(const char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

编译：

gcc tcp_server_win.c -lwsock32 -o hServerWingcc tcp_client_win.c -lwsock32 -o hClientWin

运行结果：

在这里插入图片描述

习题

（1）什么是协议？在收发数据中定义协议有何意义？

协议就是为了完成数据交换而定好的规则。

因此，定义协议意味着对数据传输所必需的的规则进行定义。

TCP3_457">（2）面向连接的TCP套接字传输特性有3点，请分别说明。

可靠的：传输过程中数据不会丢失
按序传递的：按序传输数据
基于字节的：传输的数据不存在数据边界

（3）下面哪些是面向消息的套接字的特性？

a. 传输数据可能丢失
b. 没有数据边界
c. 以快速传递为目的
d. 不限制每次传递数据的大小
e. 与面向连接的套接字不同，不存在连接的概念

答：a、c、e。

（4）下列数据适合用哪些套接字传输？并给出原因。

a. 演唱会现场直播的多媒体数据
b. 某人压缩过的文本文件
c. 网上银行用户与银行之间的数据传递

答：

a. UDP。演唱会讲究实时性，稍微丢包也能够有算法补救（顶多画质下降），所以用UDP更好。
b. TCP。文本文件讲究可靠传输，所以用TCP。
c. TCP。支付这种敏感数据更需要可靠传输，所以用TCP。

（5）何种类型的套接字不存在数据边界？这类套接字接收数据时需要注意什么？

面向连接的TCP套接字不存在数据边界。因此输入输出函数的响应次数不具有意义。

重要的不是函数的响应次数，而是数据的收发量。需要保证在接收套接字的缓冲区填充满之前就从buffer里读取数据。也就是，在接收套接字内部，写入buffer的速度要小于读出buffer的速度。

（6）tcp_server.c和tcp_client.c中需要多次调用read函数读取服务器调用1次write函数传递的字符串。更改程序，使服务器端多次调用（次数自拟）write函数传输数据，客户端调用1次read函数进行读取。为达到这一目的，客户端需延迟调用read函数，因为客户端要等待服务器端传输所有数据。

服务端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>void error_handling(const char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}int main(int argc, char *argv[])
{WSADATA wsaData;SOCKET hServerSock, hClientSock;SOCKADDR_IN serverAddr, clientAddr;int szClientAddr;char message[] = "Hello World!";if (argc != 2){printf("Usage: %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)error_handling("WSAStartup() error!");hServerSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (hServerSock == INVALID_SOCKET)error_handling("socket() error!");memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(hServerSock, (SOCKADDR *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR)error_handling("bind() error!");if (listen(hServerSock, 5) == SOCKET_ERROR)error_handling("listen() error!");szClientAddr = sizeof(clientAddr);hClientSock = accept(hServerSock, (SOCKADDR *)&clientAddr, &szClientAddr);if (hClientSock == INVALID_SOCKET)error_handling("accept() error!");send(hClientSock, message, 4, 0);send(hClientSock, message + 4, 4, 0);send(hClientSock, message + 8, 4, 0);send(hClientSock, message + 12, sizeof(message - 12), 0);closesocket(hClientSock);closesocket(hServerSock);WSACleanup();return 0;
}

客户端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <winsock2.h>void error_handling(const char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}int main(int argc, char *argv[])
{WSADATA wsaData;SOCKET hSocket;SOCKADDR_IN serverAddr;char message[30];if (argc != 3){printf("Usage: %s <IP> <port>\n", argv[0]);exit(1);}if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)error_handling("WSAStartup() error!");hSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (hSocket == INVALID_SOCKET)error_handling("hSocket() error!");memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if (connect(hSocket, (SOCKADDR *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR)error_handling("connect() error!");// Busy Waitingfor (int i = 0; i < 3000; i++)printf("Wait time %d\n", i);recv(hSocket, message, sizeof(message) - 1, 0);printf("Message from server: %s\n", message);closesocket(hSocket);WSACleanup();return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述