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首页TCP协议中,Socket编程的通信原理深度解析
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的
编程详解
1. 网络中进程之间如何通信
进 程通信的概念最初来源于单机系统。由于每个进程都在自己的地址范围内运行,为保证两个相互通信
的进
程之间既互不干扰又协调一致工作,操作系统为进程通信提供了相应设施,如
UNIX BSD 有:管道(pipe)、命名管道(named pipe)软中断信号(signal)
UNIX system V 有:消息(message)、共享存储区(shared memory)和信号量(semaphore)等.
他们都仅限于用在本机进程之间通信。网间进程通信要解决的是不同主机进程间的相互通信问题(可把同
机进程通信看作是其中的特例)。为此,首先要解决的是网间进程标识问题。同一主机上,不同进程可用
进程号(process ID)唯一标识。但在网络环境下,各主机独立分配的进程号不能唯一标识该进程。例如,
主机 A 赋于某进程号 5,在 B 机中也可以存在 5 号进程,因此,“5 号进程”这句话就没有意义了。 其次,
操作系统支持的网络协议众多,不同协议的工作方式不同,地址格式也不同。因此,网间进程通信还要解
决多重协议的识别问题。
其实 TCP/IP 协议族已经帮我们解决了这个问题,网络层的“ip 地址”可以唯一标识网络中的主机,而
传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序(进程)。这样利用三元组( ip 地址,协议,
端口)就可以标识网络的进程了,网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。
使用 TCP/IP 协议的应用程序通常采用应用编程接口: UNIX BSD 的套接字(socket)和 UNIX
System V 的 TLI(已经被淘汰),来实现网络进程之间的通信。就目前而言,几乎所有的应用程序都是
采用 socket,而现在又是网络时代,网络中进程通信是无处不在,这就是我为什么说“一切皆 socket”。
2. 什么是 TCP/IP、UDP
TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即传输控制协议/网间协议,是一
个工业标准的协议集,它是为广域网(WANs)设计的。
TCP/IP 协议存在于 OS 中,网络服务通过 OS 提供,在 OS 中增加支持 TCP/IP 的系统调用——
Berkeley 套接字,如 Socket,Connect,Send,Recv 等
UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)是与 TCP 相对应的协议。它是属于 TCP/IP 协议族
中的一种。如图:
$ $ $ TCP/IP 协议族包括运输层、网络层、链路层,而 socket 所在位置如图,Socket 是应
用层与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层。
3. Socket 是什么
1、 socket 套接字:
socket 起源于 Unix,而 Unix/Linux 基本哲学之一就是“一切皆文件”,都可以用“打开 open –> 读
写 write/read –> 关闭 close”模式来操作。Socket 就是该模式的一个实现, socket 即是一种特
殊的文件,一些 socket 函数就是对其进行的操作(读/写 IO、打开、关闭).
说白了 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。
注意:其实 socket 也没有层的概念,它只是一个 facade 设计模式的应用,让编程变的更简单。是
一个软件抽象层。在网络编程中,我们大量用的都是通过 socket 实现的。
2、套接字描述符
$ $$$ $ $$其实就是一个整数,我们最熟悉的句柄是 0、1、2 三个,0 是标准输入,1 是标准输出,2 是标准错
误输出。0、1、2 是整数表示的,对应的 FILE *结构的表示就是 stdin、stdout、stderr
套接字 最初是作为 操作系统的一部分而开发的,所以套接字 与系统的其他 设备集
成在一起。特别是,当应用程序要为因特网通信而创建一个套接字()时,操作系统就返回一个
小整数作为描述符()来标识这个套接字。然后,应用程序以该描述符作为传递参数,通过调
用函数来完成某种操作(例如通过网络传送数据或接收输入的数据)。
在许多操作系统中,套接字描述符和其他 描述符是集成在一起的,所以应用程序可以对文件进
行套接字 或 读写操作。
当应用程序要创建一个套接字时,操作系统就返回一个小整数作为描述符,应用程序
则使用这个描述符来引用该套接字需要 请求的应用程序请求操作系统打开一个文件。
操作系统就创建一个文件描述符提供给应用程序访问文件。从应用程序的角度看,文件描
述符是一个整数,应用程序可以用它来读写文件。下图显示,操作系统如何把文件描述符
实现为一个指针数组,这些指针指向内部数据结构。
对于每个程序系统都有一张单独的表。精确地讲,系统为每个运行的进程维护一张单独的文件描述符
表。当进程打开一个文件时,系统把一个指向此文件内部数据结构的指针写入文件描述符表,并把该表的
索引值返回给调用者 。应用程序只需记住这个描述符,并在以后操作该文件时使用它。操作系统把该描
述符作为索引访问进程描述符表,通过指针找到保存该文件所有的信息的数据结构。
$ $$ 针对套接字的系统数据结构:
)、套接字 里有个函数 ,它就是用来创建一个套接字。套接字设计的总体思路是,单个系
统调用就可以创建任何套接字,因为套接字是相当笼统的。一旦套接字创建后,应用程序还需要调用其他
函数来指定具体细节。例如调用 socket 将创建一个新的描述符条目:
)、虽然套接字的内部数据结构包含很多字段,但是系统创建套接字后,大多数字字段没有填写。应
用程序创建套接字后在该套接字可以使用之前,必须调用其他的过程来填充这些字段。
3、文件描述符和文件指针的区别:
文件描述符:在 linux 系统中打开文件就会获得文件描述符,它是个很小的正整数。每个进程在
PCB(Process Control Block)中保存着一份文件描述符表,文件描述符就是这个表的索引,每个表项都
有一个指向已打开文件的指针。
文件指针:C 语言中使用文件指针做为 I/O 的句柄。文件指针指向进程用户区中的一个被称为 FILE 结构
的数据结构。FILE 结构包括一个缓冲区和一个文件描述符。而文件描述符是文件描述符表的一个索引,
因此从某种意义上说文件指针就是句柄的句柄(在 Windows 系统上,文件描述符被称作文件句柄)。
详细内容请看 linux 文件系统:http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/6122513#t7
4. 基本的 SOCKET 接口函数
在生活中,A 要电话给 B,A 拨号,B 听到电话铃声后提起电话,这时 A 和 B 就建立起了连接,A 和 B 就
可以讲话了。等交流结束,挂断电话结束此次交谈。 打电话很简单解释了这工作原理:
“open—write/read—close”模式。
服务器端先初始化 Socket,然后与端口绑定(bind),对端口进行监听(listen),调用 accept 阻塞,
等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个 Socket,然后连接服务器(connect),如果连接成
功,这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求,服务器端接收请求并处理请求,然后
把回应数据发送给客户端,客户端读取数据,最后关闭连接,一次交互结束。
这些接口的实现都是内核来完成。具体如何实现,可以看看 l i nux 的内核
4.1、socket()函数
int socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回 sockfd
sockfd 是描述符。
socket 函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字,而 socket()用
于创建一个 socket 描述符(socket descriptor),它唯一标识一个 socket。这个 socket 描述字跟文
件描述字一样,后续的操作都有用到它,把它作为参数,通过它来进行一些读写操作。
正如可以给 fopen 的传入不同参数值,以打开不同的文件。创建 socket 的时候,也可以指定不同的
参数创建不同的 socket 描述符,socket 函数的三个参数分别为:
protofamily:即协议域,又称为协议族(family)。常用的协议族有,
AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL(或称 AF_UNIX,Unix 域
socket)、AF_ROUTE 等等。协议族决定了 socket 的地址类型,在通信中必须采用对应的地
址,如 AF_INET 决定了要用 ipv4 地址(32 位的)与端口号(16 位的)的组合、AF_UNIX
决定了要用一个绝对路径名作为地址。
type:指定 socket 类型。常用的 socket 类型有,
SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK
_SEQPACKET 等等(socket 的类型有哪些?)。
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