【计算机网络】什么是socket编程？以及相关接口详解

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一、 什么是socket套接字

我们使用一张图片很形象的可以看出socket所处的位置。

从用户层面来看：

从上图看出，Socket处于应用层与传输层的中间软件抽象层，它是一组接口。并且前面我们也学过，运输层和网络层其实属于操作系统内层面，我们只给用户提供使用的接口即可，不可能让用户能直接访问到内核部分。
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。

从操作系统层面来看：
linux下一切皆文件！！！所以本质来说Socket即是一种特殊的文件，一些socket函数【bind()、listen()等等】，就是对这个文件进行的操作（读/写IO、打开、关闭）

二、Socket函数接口详解

// 创建 socket 文件 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,socklen_t address_len);// 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,socklen_t* address_len);// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

上面的参数中带有 struct sockaddr*结构体，这是个什么呢？

首先我们要知道socket的英文为插座，而我们的ip+端口号可以决定是哪一台主机上的哪一个进程，相当于一个插头，谁插入这个socket插槽，谁就可以与之通信。

套接字的分类及struct sockaddr*

1.网络套接字

2.原始套接字

3.unix域间套接字

这个struct sockaddr*结构体是一个父类一般还有两个衍生的子类，他们一个sockaddr_in（inet,网络通信）主要用于网络间的通信同时也支持本地，另一个sockaddr_un（域间套接字）只能在本地通信。而原始套接字可以跨过传输层（TCP/IP协议）访问底层的数据

网络套接字
struct sockaddr_in {short int sin_family;  // 地址族，一般为AF_INET（IPv4）和AF_INET6（IPv6）unsigned short int sin_port; // 端口号，网络字节序struct in_addr sin_addr; // IP地址unsigned char sin_zero[8];// 用于填充，使sizeof(sockaddr_in)等于16
};原始套接字
struct sockaddr {sa_family_t sa_family; 		/* address family, AF_xxx */char sa_data[14];//sa_data是一个字节数组，用于存储地址和端口号信息的具体内容，具体内容的长度和格式依赖于协议族的不同。
};unix域间套接字
struct sockaddr_un {sa_family_t sun_family;       /* AF_UNIX */char sun_path[108];    /* 带有路径的文件名 */
};//通过同一个文件的路径来让进程看到同一份资源

其中还有一个结构体是struct in_addr，这个函数内部如下：

struct in_addr {uint32_t    s_addr;   /* address in network byte order */
};

简单来说原始套接字使用了一个sa_data数组将IP和端口号存储在了一起，很多网络编程函数诞生早于IPv4协议，那时候都使用的是sockaddr结构体。但是sockaddr的缺陷是：sa_data把目标地址和端口信息混在一起了。IPv4为了解决这个问题，于是便设计了sockaddr_in专门用于网络通信结构体，把port和ip分开来存储。

sockaddr_in 是用于 IPv4 地址的特定地址结构体。它扩展了 sockaddr，并提供了 IPv4 地址（通过 sin_addr 字段存储）和端口号（通过 sin_port 字段存储）的字段。sockaddr_in 使用的是网络字节序（大端字节序）来存储这些值。如果不知道网络字节序请搜索一下。

1.socket

格式：

int socket(int domain, int type, int protocol);

参数：

• domain：指定套接字的协议族，如AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6）。
  type：指定套接字的类型。
     SOCK_STREAM（面向连接的流套接字）
    SOCK_DGRAM（无连接的数据报套接字）。
  protocol：指定使用的传输协议，通常可以设置为0以自动选择合适的协议。

返回值：返回一个int型的数字来表示套接字

作用：创建一个套接字，将domain、type和protocol参数传递给socket()函数以指定套接字的特性，并返回一个int型套接字描述符，用于后续的操作。

2.bind

格式：

int bind(int socket, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

参数：

• sockfd：要绑定的套接字描述符，也就是socket函数的返回值
• addr：是一个指向 sockaddr 结构的指针，该结构包含了要绑定的IP地址和端口号。
• addrlen：指定addr结构体的大小。

返回值：

• bind函数的返回值用于指示操作是否成功：
  如果 bind 函数成功执行，它将返回 0。
  如果 bind 函数执行失败，它将返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误的具体原因。

作用：bind函数用于将一个套接字（socket）与特定的IP地址和端口号绑定

3.listen

格式：

int listen(int socket, int backlog)

参数：

• socket：要设置为监听状态的套接字描述符。
• backlog：指定等待连接队列的最大长度，用于限制同时可以等待处理的连接请求的数目

返回值：

• 成功时：当listen函数成功地将套接字置于监听状态时，它返回0。这表示服务器已经准备好接受客户端的连接请求。
• 失败时：如果listen函数执行失败，它将返回-1，并设置全局变量errno以指示错误的具体原因。此时，可以通过检查errno的值来确定错误类型，并据此采取相应的错误处理措施。

错误码：

EADDRINUSE：	表示地址已被使用，即尝试监听的端口已被其他进程占用。
EINVAL：	表示无效的参数，可能是因为套接字未绑定地址，或者该套接字已被连接（对于某些类型的套接字，如SOCK_DGRAM，监听操作可能不被允许）。
ENOTSOCK：	表示文件描述符不是一个套接字。
WSAENETDOWN（Windows特有）：	表示网络子系统失效。
WSAEINPROGRESS（Windows特有）：	表示一个阻塞的套接字调用正在运行中。
WSAEMFILE（Windows特有）：	表示无可用文件描述符。
WSAENOBUFS（Windows特有）：	表示无可用缓冲区空间。

作用: 将套接字设置为监听状态，开始接受客户端的连接请求。通过指定backlog参数，可以控制连接队列的长度。

4.accept

格式：

int accept(int socket, struct sockaddr* address,
socklen_t* address_len)

参数：

• sockfd：监听 套接字描述符。
• addr：用于存储客户端的地址信息的结构体指针，可以是struct sockaddr、struct sockaddr_in或struct sockaddr_in6等类型的指针。
• addrlen：指向一个整数变量，用于传递addr结构体的大小，并在接受连接后更新为实际的地址长度。

返回值：

• 成功时的返回值
  当accept函数成功接受一个客户端的连接请求时，它会返回一个非负值。这个非负值就是新创建的socket文件描述符或对象的标识符，用于后续的通信操作。

• 失败时的返回值
  如果accept函数在尝试接受连接请求时遇到错误（例如，监听socket已经被关闭），它将返回-1，并设置全局变量errno以指示错误的具体原因。此时，可以通过检查errno的值来确定错误类型，并据此采取相应的错误处理措施。

作用: 等待并接受客户端的连接请求，并返回一个新的套接字描述符，该描述符用于与客户端进行通信。同时，可以获取客户端的地址信息

5.connet

格式：

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

参数：

• sockfd：要进行连接的套接字描述符。
• addr：要连接的目标地址的结构体指针，该结构包含了要绑定的IP地址和端口号。
• addrlen：指定addr结构体的大小。

返回值：

• 成功时的返回值
  当connect函数成功地将客户端套接字与服务器套接字连接起来时，它返回0。这表示连接已经成功建立，客户端可以继续通过该套接字发送和接收数据。
• 失败时的返回值
  如果connect函数在尝试建立连接时遇到错误（如网络不可达、服务器未运行、服务器拒绝连接等），它将返回-1，并设置全局变量errno以指示错误的具体原因。此时，可以通过检查errno的值来确定错误类型，并据此采取相应的错误处理措施。

错误码

ECONNREFUSED：	表示连接被远程计算机拒绝。这通常意味着没有服务在目标端口上监听，或者服务器程序拒绝连接请求。
ENETUNREACH：	表示网络不可达。这可能是因为网络线路故障、路由表配置错误或远程主机不可达等原因。
ETIMEDOUT：	表示连接超时。这可能是因为远程主机没有响应连接请求，或者连接请求在传输过程中被延迟或丢失。
EINPROGRESS（在非阻塞模式下）：	表示连接操作正在进行中。在非阻塞模式下，connect函数可能无法立即完成连接操作，此时将返回-1，并将errno设置为EINPROGRESS。在这种情况下，需要调用其他函数（如select、poll或epoll）来检查连接是否成功建立。

作用: 与另一个套接字建立连接，通常用于客户端连接服务器。通过指定目标地址和端口号，使套接字能够与目标进行通信。

6.读写操作

以下函数均可读取Socket数据

   ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

主要来说说recvfrom和sendto函数

recvfrom参数中的addr的意义就是获取发送发放的信息，便于之后使用sento发送时使用。

7.close()函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

8.字节序转换接口

#include<arpa/inet.h>

uint32_t    htonl(uint32_t hostlong);    //32位整数从主机字节序转换为网络字节序
uint16_t    htons(uint16_t hostshort);   //16位整数从主机字节序转换为网络字节序
uint32_t    ntohl(uint32_t netlong):     //32位整数从网络字节序转换为主机字节序
uint16_t    ntohs(uint16_t netshort);    //16位整数从网络字节序转换为主机字节序

9.IP地址格式转换函数

//点分十进制的IP地址字符串转换成in_addr_t类型
in_addr_t inet_addr(const char *cp)
//将结构struct in_addr中的二进制IP地址转换为一个点分十进制
char *inet_ntoa(struct in_addr in)