套接字总结与实现

2023-10-11 17:45:52

socket简介

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。

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。

面向连接套接字

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（有的教程也称“不存在数据边界”）：

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。

可以将 SOCK_STREAM 比喻成一条传送带，只要传送带本身没有问题（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？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。

在 “TCP/IP”中：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”。

应用场景：浏览器所使用的 http 协议就基于面向连接的套接字，因为必须要确保数据准确无误，否则加载的 HTML 将无法解析。

无连接套接字

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（有的教程也称“存在数据边界”）。

众所周知，速度是快递行业的生命。用摩托车发往同一地点的两件包裹无需保证顺序，只要以最快的速度交给客户就行。这种方式存在损坏或丢失的风险，而且包裹大小有一定限制。因此，想要传递大量包裹，就得分配发送。

另外，用两辆摩托车分别发送两件包裹，那么接收者也需要分两次接收，所以“数据的发送和接收是同步的”；换句话说，接收次数应该和发送次数相同。

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。

##　两种套接字总结

两种套接字的特点决定了它们的应用场景，有些服务对可靠性要求比较高，必须数据包能够完整无误地送达，那就得选择有连接的套接字（TCP 服务），比如 HTTP、FTP 等；而另一些服务，并不需要那么高的可靠性，效率和实时才是它们所关心的，那就可以选择无连接的套接字（UDP 服务），比如 DNS、即时聊天工具等。

面向连接的套接字流程

代码层面，套接字的实现有 固定的流程，如下：

服务端和客户端初始化socket ,得到文件描述符;
服务端调用bind ，将绑定在IP地址和端口;
服务端调用listen ,进行监听;
服务端调用accept ，等待客户端连接;
客户端调用connect ，向服务器端的地址和端口发起连接请求;服务端accept返回用于传输的socket的文件描述符;
客户端调用write写入数据;服务端调用read读取数据;
客户端断开连接时，会调用close ，那么服务端read读取数据的时候，就会读取到了EOF，待处理完数据后，服务端调用close ，表示连接关闭。

套接字简单实现：

// 服务端
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

int main(){
    //创建套接字
    int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

    //将套接字和IP、端口绑定
    struct sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充
    serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
    serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口
    bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

    //进入监听状态，等待用户发起请求
    listen(serv_sock, 20);

    //接收客户端请求
    struct sockaddr_in clnt_addr;
    socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
    int clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);

    //向客户端发送数据
    char str[] = "http://c.biancheng.net/socket/";
    write(clnt_sock, str, sizeof(str));
   
    //关闭套接字
    close(clnt_sock);
    close(serv_sock);

    return 0;
}

// 客户端代码
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

int main(){
    //创建套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    //向服务器（特定的IP和端口）发起请求
    struct sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充
    serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
    serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口
    connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
   
    //读取服务器传回的数据
    char buffer[40];
    read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);
   
    printf("Message form server: %s\n", buffer);
   
    //关闭套接字
    close(sock);

    return 0;
}

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面向连接的套接字流程

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