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[系统运维]【网络篇】第五篇——网络套接字编程(一)(socket详解) |
socket编程套接字概念Socket本身有“插座”的意思,在Linux环境下,用于表示进程间网络通信的特殊文件类型。本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。既然是文件,那么理所当然的,我们可以使用文件描述符引用套接字。与管道类似的,Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口,使得读写套接字和读写文件的操作一致。区别是管道主要应用于本地进程间通信,而套接字多应用于网络进程间数据的传递。 套接字通信原理如下图所示:
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。
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。而我们所说的socket编程指的是利用soket接口来实现自己的业务和协议。 数据传输方式计算机之间有很多数据传输方式,各有优缺点,常用的有两种:SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM。 1)SOCK_STREAM?表示面向连接的数据传输方式。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,但效率相对较慢。常见的 http 协议就使用 SOCK_STREAM 传输数据,因为要确保数据的正确性,否则网页不能正常解析。 2)SOCK_DGRAM?表示无连接的数据传输方式。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 SOCK_DGRAM 所做的校验工作少,所以效率比 SOCK_STREAM 高。
QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 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。 ip地址转换函数只能处理IPv4的ip地址
?支持IPv4和IPv6
socket常见API
?socket() 函数用来创建套接字,确定套接字的各种属性,然后服务器端要用 bind() 函数将套接字与特定的IP地址和端口绑定起来,只有这样,流经该IP地址和端口的数据才能交给套接字处理;而客户端要用 connect() 函数建立连接。 bind()函数
connect()函数?
?对于服务器端程序,使用 bind() 绑定套接字后,还需要使用 listen() 函数让套接字进入被动监听状态,再调用 accept() 函数,就可以随时响应客户端的请求了。 listen()函数
所谓被动监听,是指当没有客户端请求时,套接字处于“睡眠”状态,只有当接收到客户端请求时,套接字才会被“唤醒”来响应请求。 请求队列 缓冲区的长度(能存放多少个客户端请求)可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定,但究竟为多少并没有什么标准,可以根据你的需求来定,并发量小的话可以是10或者20。 如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN,就由系统来决定请求队列长度,这个值一般比较大,可能是几百,或者更多。 注意:listen() 只是让套接字处于监听状态,并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。 当套接字处于监听状态时,可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。
它的参数与 listen() 和 connect() 是相同的:sock 为服务器端套接字,addr 为 sockaddr_in 结构体变量,addrlen 为参数 addr 的长度,可由 sizeof() 求得。 ?accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信,addr 保存了客户端的IP地址和端口号,而 sock 是服务器端的套接字,大家注意区分。后面和客户端通信时,要使用这个新生成的套接字,而不是原来服务器端的套接字。 最后需要说明的是:listen() 只是让套接字进入监听状态,并没有真正接收客户端请求,listen() 后面的代码会继续执行,直到遇到 accept()。accept() 会阻塞程序执行(后面代码不能被执行),直到有新的请求到来。
Linux下数据的接收和发送 前面我们说过,两台计算机之间的通信相当于两个套接字之间的通信,在服务器端用 write() 向套接字写入数据,客户端就能收到,然后再使用 read() 从套接字中读取出来,就完成了一次通信。
fd 为要写入的文件的描述符,buf 为要写入的数据的缓冲区地址,nbytes 为要写入的数据的字节数。
fd 为要读取的文件的描述符,buf 为要接收数据的缓冲区地址,nbytes 为要读取的数据的字节数。 read() 函数会从 fd 文件中读取 nbytes 个字节并保存到缓冲区 buf,成功则返回读取到的字节数(但遇到文件结尾则返回0),失败则返回 -1。 sockaddr数据结构
套接字不仅支持跨网络的进程间通信,还支持本地的进程间通信(域间套接字)。在进行跨网络通信时我们需要传递的端口号和IP地址,而本地通信则不需要,因此套接字提供了sockaddr_in结构体和sockaddr_un结构体,其中sockaddr_in结构体是用于跨网络通信的,而sockaddr_un结构体是用于本地通信的。 为了让套接字的网络通信和本地通信能够使用同一套函数接口,于是就出现了 此时当我们在传递在传参时,就不用传入sockeaddr_in或sockeaddr_un这样的结构体,而统一传入sockeaddr这样的结构体。在设置参数时就可以通过设置协议家族这个字段,来表明我们是要进行网络通信还是本地通信,在这些API内部就可以提取sockeaddr结构头部的16位进行识别,进而得出我们是要进行网络通信还是本地通信,然后执行对应的操作。此时我们就通过通用sockaddr结构,将套接字网络通信和本地通信的参数类型进行了统一。 注意: 实际我们在进行网络通信时,定义的还是sockaddr_in这样的结构体,只不过在传参时需要将该结构体的地址类型进行强转为sockaddr*罢了。
本地进程间通信的方式已经有管道、消息队列、共享内存、信号量等方式了,现在在套接字这里又出现了可以用于本地进程间通信的域间套接字,为什么会有这么多通信方式,并且这些通信方式好像并不相关? 实际是因为早期有很多不同的实验室都在研究通信的方式,由于是不同的实验室,因此就出现了很多不同的通信方式,比如常见的有System V标准的通信方式和POSIX标准的通信方式。
socket缓冲区以及阻塞模式socket缓冲区 write()/send() 并不立即向网络中传输数据,而是先将数据写入缓冲区中,再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区,函数就可以成功返回,不管它们有没有到达目标机器,也不管它们何时被发送到网络,这些都是TCP协议负责的事情。 TCP协议独立于 write()/send() 函数,数据有可能刚被写入缓冲区就发送到网络,也可能在缓冲区中不断积压,多次写入的数据被一次性发送到网络,这取决于当时的网络情况、当前线程是否空闲等诸多因素,不由程序员控制。 这些I/O缓冲区特性可整理如下:
阻塞模式
?当使用 read()/recv() 读取数据时:
?TCP套接字默认情况下是阻塞模式 LINUX下socket程序的演示和C语言教程一样,我们从一个简单的“Hello World!”程序切入 socket 编程。 演示了 Linux 下的代码,server.cpp 是服务器端代码,client.cpp 是客户端代码,要实现的功能是:客户端从服务器读取一个字符串并打印出来。 服务器端代码 server.c: ?客户端代码 client.c: ?先编译 server.c?并运行: 正常情况下,程序运行到 accept() 函数就会被阻塞,等待客户端发起请求。 client 运行后,通过 connect() 函数向 server 发起请求,处于监听状态的 server 被激活,执行 accept() 函数,接受客户端的请求,然后执行 write() 函数向 client 传回数据。client 接收到传回的数据后,connect() 就运行结束了,然后使用 read() 将数据读取出来。 |
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