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如何进行 Socket 编程

2013年08月03日 ⁄ 综合 ⁄ 共 6406字 ⁄ 字号 评论关闭
 

如何进行 Socket 编程

    进程通信的概念最初来源于单机系统,由于每个进程都在各自的地址范围内运行,为了保证两个相互通信的进程之间既不互相干扰,又协调一致的工作,操作系统为进程通信提供了相应设施,如UNIX BSD中的管道(pipe),有名管道(named pipe)和软中断信号(singal),UNIX system V的消息(message)、共享存储区(shared memory)和信号量(semaphore)等,但都局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通信问题(可把同机进程通信看作其中的特例)。为此,首先要解决的是网间进程标识问题。同一主机上,不同进程可以用进程号(pid)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赋予某进程号5,在B主机也可以存在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。为了解决上述问题,TCP/IP协议引入了下列几个概念。

端口
    网络中可以被命名和寻址的通信端口是操作系统可分配的一种资源。按照OSI七层协议的描述,传输层与网络层最大的区别是传输层提供进程通信能力。从这个意义上讲,网络通信的最终地址就不仅是主机地址了,还包括可以描述进程的某种标识符。为此TCP/IP协议提出了协议端口的概念,用于标识通信的进程。
    端口是一种抽象的软件结构,包括一些数据结构和I/O缓冲区。应用程序即进程通过系统调用与某端口建立连接(binding)后,传输层传给该端口的数据都被相应的进程所接收,相应进程发给传输层的数据都从该端口输出。在TCP/IP协议的实现中,端口操作类似于一般的I/O操作,进程获取一个端口,相当于获取本地唯一的I/O文件,可以用一般的读写原语访问。
    类似于文件描述符,每个端口都拥有一个叫端口号的整数描述符,以区别不同端口。由于TCP/IP传输层的两个协议TCP和UDP是两个完全独立的软件模块,因此各自的端口号也相互独立。如TCP有一个255号端口,UDP也可以有一个255号端口,两者并不冲突。
    端口号的分配是一个重要问题,有两种基本分配方式:第一种叫全局分配这是一种集中分配方式,由一个公认的中央机构根据用户需要尽行统一分配,并将结果公布于众,第二种是本地分配,又称动态连接,即进程需要访问传输层服务时,向本地操作系统提出申请,操作系统返回本地唯一的端口号,进程再通过合适的系统调用,将自己和该端口连接起来(绑定)。TCP/IP端口号的分配综合了两种方式。TCP/IP将端口号分为两部分,少量的作为保留端口,以全局方式分配给服务进程。因此,每一个标准服务器都拥有一个全局公认的端口叫周知口,即使在不同的机器上,其端口号也相同。剩余的为自由端口,以本地方式进行分配。TCP和UDP规定,小于256的端口才能作为保留端口。

地址
    网络通信中的两个进程分别在两个不同的机器上。在互连网络中,两台机器可以位于不同的网络,这些网络通过网际互连设备(网关,网桥,路由器)连接。因此需要三级寻址。
    1。某一主机与多个网络相连,必须指定一特定网络地址;
    2。网络上美一台主机应有其唯一的地址;
    3。美一主机上的每一进程应有在该主机上的唯一标识。
    主机地址就是IP啦,不必多说。进程唯一标识符是十六位整数端口号。

网络字节顺序
    不同的计算机存放多字节值的顺序不同,有的机器在起始地址存放低位字节,有的则相反。为保证数据的正确性,在网络协议中需指定网络字节顺序。TCP/IP协议使用16位整数和32位整数的高价先存格式,他们均含在协议的头文件中。

连接
    两个进程间的通信链路称为连接。连接在内部表现为一些缓冲区和一组协议机制,在外部表现出比无连接高的可靠性。

半相关
    综上所述,网络中用一个三元组可以在全局中唯一标是一个进程:(协议,本机地址,本地端口号)这样一个三元组,叫做一个半相关,他指定连接的每半部分。

全相关
    一个完整的网间进程通信需要有两个进程组成,并且只能使用同一种高层协议。也就是说TCP和UDP没法通信。因此一个完整的网间进程通信需要一个五元组来标识:
    (协议,本机地址,本地端口号,远地地址,远地端口号)这样一个五元组叫做一个全相关。

    在TCP/IP网络应用中,通信的两个进程相互作用的主要模式是客户机/服务器模式,即客户端向服务器发出请求,服务器接收到请求后提供相应的服务客户机/服务器模式的建立基于以下两点:首先,建立网络的起因是网络中软、硬件资源、运算能力和信息不均等,需要共享,从而造就拥有众多资源的主机提供服务,资源较少的客户请求服务这一非对等作用。其次,网间进程通信完全是异步的,相互通信的进程间既不存在父子关系,又不共享内存缓冲区,因此需要一种机制为希望通信的进程间建立一种联系,为二者的数据交换提供同步,这就是基于客户机/服务器模式的TCP/IP。
    客户机/服务器模式在操作过程中采取的是主动请求方式:
    首先服务器方要启动,并根据请求提供相应服务:
    1。打开一通信通道并告知本地主机,它愿意在某一公认地址端口上(周知口,如http为80)接受客户请求。
    2。等待客户请求到达该端口。
    3。接收到重复服务请求,处理该请求并发送应答信号。接收并发服务请求,要激活一新进程来处理这个客户请求。新进程处理此客户请求,并不需要对其他请求做出应答。服务完成后,关闭此新进程与客户的通信链路,并终止。
    4。返回第二步,等待另外的客户请求
    5。关闭服务器。
    客户方:
    1。打开一通信通道,并连接到服务器所在主机的特定端口。
    2。向服务器发出服务请求报文,等待并接收应答;继续提出请求。
    3。请求结束后关闭通信通道并终止。
    从上面的描述过程可知:
    1。客户与服务器进程的作用是非对称的。因此编码不同。
    2。服务进程一般是先于客户请求启动的。只要系统运行,该进程一直存在,直到正常终止或者强迫终止。


    在UNIX世界中,网络应用编程界面有两类:BSD的套接字SOCKET和SYSTEM V的TLI.由于Sun公司采用了支持TCP/IP的BSD系统,TCP/IP的应用有了更大发展其网络应用编程界面Socket在网络编程中已成为标准。并且也早已经进入了MS的世界。
    TCP/IP的Socket提供下列三种类型的套接字
    1。流式套接字(SOCKET_STREAM)
    提供了一个面向连接,可靠的数据传输服务,数据无差错,无重复的发送且按发送顺序接收。内设流量控制,避免数据流超限;数据被看作是字节流,无长度限制。FTP协议即采用流式套接字。
    2。数据报式套接字(SOCKET_DGRAM)
    提供了一个无连接服务。数据包以独立包形式被发送,不提供无错保证,数据可能丢失或重复,并且接收顺序无序。网络文件系统NFS使用数据报式套接字。
    3。原始式套接字(SOCKET_RAW)
    该接口允许对较低层次协议,如IP、ICMP直接访问。常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备。

基本套接字调用

    创建套接字--socket();
    绑定本机端口--bind();
    建立连接--connect(),accept();
    侦听端口--listen();
    数据传输--send(),recv();
    输入/输出多路复用--select();
    关闭套接字--closesocket();
    
    不论何种语言,和socket打交道都是这一组调用只是在格式上有一点点差别。我只使用过c和perl,再加上这里又不让出现与perl无关的东西,那下面就主要讨论PERL的socket编程啦:

创建建套接字:

socket(SOC_VARIABLE,DOMAIN_FLAG,connectType,num)  #相应的C语言调用为sockid=socket(af,type,protocol)
参数含义如下:
SOC_VARIABLE是用于建立套接的句柄,相当于c里面的sockid号;DOMAIN_FLAG叫域标记,在C里相当于af--address family,地址族。地址族和域是一个概念,其实就是平常所说的域。UNIX支持的域类型有
   AF-UNIX;      UNIX内部地址
   AF-INET;      TCP/IP地址
   AF-NS;        Xerox NS地址
   AF-APPLETALK; Apple的Appletalk地址
而dos/windows支持的域地址族只有AF-INET.所以大部分的socket编程都只用到它。
connectType(c里的type)就是前面所说的三种socket类型。num相当于c里面的protocol那大家一看就明白了这是协议号,用来指定SOCKET请求所希望的协议,这个参数不一定起作用,当前两个参数可以确定协议时可以取值为零。
所以,一个完整的PERL的建立socket如下
socket(THESCK,AF-INET,SOCKET_STREAM,getprotocolbyname('tcp'));
#c语言: int sockid;
#        sockid = socket(AF-INET,SOCKET_STREAM,0);

第二步了:bind()--绑定到本地地址。
    第一步socket()调用只是指定了相关五元组的协议元。其他四元需要别的调用来补充。socket的创建可以认为创建了一个名字空间(地址族),但他没有被命名。bind()将套接字地址与本机创建的套接字句柄(c里面的套接字号)绑定,即将名字赋予套接字(句柄),以指定本地半相关。按照标准的socket来说(在UNIX世界里所谓编程的"标准接口"就和说"c的编程接口"没啥区别),套接字地址是一个描述socket地址的数据结构。其中描述TCP/IP协议地址(AF_INET)的结构为:
struct sockaddr_in{
   short sin_family; //AF_INET
   u_short sin_port; //16位端口号,网络字节顺序
   struct in_addr sin_addr; //32位IP地址,网络字节顺序
   char sin_zero[8]; //保留
}
其他的结构还有 sockaddr_ns,sockaddr_un等,是用在其他协议地址的。基本上我们用不到。于是一个标准绑定为:

bind(SOCKET sockid,struct * localaddr_name,int addrlen);
//sockid是一个未命名套接字的socket号
//localaddr_name是用来命名sockid的指向sockaddr_in结构的指针
//addrlen是localaddr_name的字节长度

使用perl的bind()时先要调用inet_aton('localhost');或函数 INADDR_ANY 取得ip地址字符串,然后调用
$localaddr_port = sockaddr_in($port,inet_aton('localhost')); #$port是端口号
或者是 $localaddr_port = sockaddr_in($port,INADDR_ANY); 获得TCP/IP的地址,最后bind(SERVER,$localaddr_port);

完成绑定!在这里不用指定$localaddr_port的字节长度,这就是perl的好处。


    这两个系统调用用于完成一个全相关的建立,其中connect()用于建立连接。accept()使服务器等待来自某客户进程的实际连接。其调用格式如下
 connect(SOCKET sockid,struct sockaddr* destaddr,int addrlen);
 //sockid是欲建立连接的本地socket号
 //destaddr是一个指向对方socket地址(信宿地址)结构的指针
 //addrlen是对方socket地址长度
 
perl语言的connect()调用格式为:
connect(SOC_VARIABLE,NAME_VARIABLE)
具体的调用过程如下
$remoteaddr_port = sockaddr_in($port,inet_aton('abc.efg.com'));
connect(CLIENT,$remoteaddr_port); #半相关三元组(协议,远地地址,远地端口号)。
可以发现connect()和bind()调用如出一辙,只是SERVER换成CLIENT,local换成remote,没错,他们的道理是一样的,作用是互补的。他们各自建立了服务器和客户机方面的半相关。这时就要accept()来掺和一下一个完整的网间进程通信的全相关就可以建立啦!(其实标准connect()还可以用于无连接的socket调用。但这个用法比较左道,常把人搞晕点,所以就不说了)
标准accept()调用:
SOCKET newsock = accept(SOCKET sockid,struct sockaddr* clientaddr,int  addlen)
  //sockid ,服务器本地的socket号
  //clientaddr ,指向客户socket结构的指针。它的初始值为空
  //addlen ,客户socket结构的字节长度,它的初始值为0
  //newsock ,accept()的返回值,为一个新的socket号,可用于服务器  //处理并发请求。服务器fork一个子服务器进程,利用此socket号回
  //答accept()所接收的客户请求
可以看出,accept()是面向连接的服务器端的调用。他还将客户端的socket地址及其字节长度放在clientaddr和addlen以便为其他无连接的调用指定信宿地址。但是,那些比较灵活但没有原则的无连接用法在perl里是没有的,perl的用法认为socket必须是面向连接的,请看perl里的accept():

  accept(NEW_SOC_VARIABLE,CURRENT_SOC_VARIABLE);

    可以看到accept()从当前的socket句柄上连接出一个客户端到新的socket句柄。而它的返回值客户端的地址(信宿地址)。其实连接一旦建立,服务方无须知道信宿地址,只要向套口里灌输比特流就行了。这样做的好处是使协议对于应用程序更加透明,易于理解。

在调用accept()之前还应该先调用listen(),listen()的作用是侦听端口,接收连接。如果不调用listen()的话,accept()将无法从当前socket"接"回与客户端的连接。标准listen():

    listen(sockid,quelen);
    //socket号,服务器愿意从它上面接收请求
    //quelen,请求队列长度,listen()以此限制排队请求的个数
    
perl的listen():

    listen(SOC_VARIABLE,num);#和C语言的版本很像哦
    
    SOC_VARIABLE是socket句柄,num是请求队列长度.
    到这里为止,一个连接的五元组都齐了。

 

 

 

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