C++ socket编程基础(理论篇)[转]

C++ socket编程基础(理论篇)[转]
2010年03月24日
　　对于SOCKET在这里我不想究其历史,我只想说其时它是一种进程通讯的方式,简言之就是调用这个网络库的一些API函数就能实现分布在不同主机的相关进程之间的数据交换.
　　　　SOCKET中首先我们要理解如下几个定义概念:
　　　　一是IP地址:IP Address我想很容易理解,就是依照TCP/IP协议分配给本地主机的网络地址,就向两个进程要通讯,任一进程要知道通讯对方的位置,位置如何来确定,就用对方的IP
　　　　二是端口号:用来标识本地通讯进程,方便OS提交数据.就是说进程指定了对方进程的网络IP,但这个IP只是用来标识进程所在的主机,如何来找到运行在这个主机的这个进程呢,就用端口号.
　　　　三是连接:指两个进程间的通讯链路.
　　　　四是半相关:网络中用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程：
　　　　(协议，本地地址，本地端口号)
　　　　这样一个三元组，叫做一个半相关,它指定连接的每半部分。
　　　　五是全相关
　　　　一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议。也就是说，不可能通信的一端用TCP协议，而另一端用UDP协议。因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识：
　　　　(协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号)
　　　　这样一个五元组，叫做一个相关(association)，即两个协议相同的半相关才能组合成一个合适的相关，或完全指定组成一连接。
　　　　客户/服务器模式
　　　　在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器模式(Client/Server model)，即客户向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。客户/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联系，为二者的数据交换提供同步，这就是基涌纪纪户/服务器模式的TCP/IP。
　　　　客户/服务器模式钥纪纪作过程中采取的是主动请求方式：
　　　　首先服务器方要先启动，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上(周知口，如FTP为21)接收客户请求;
　　　　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。接收到并发服务请求，要激活一新进程来处理这个客户请求(如UNIX系统中用fork、exec)。新进程处理此客户请求，并不需要对其它请求作出应答。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，等待另一客户请求。
　　　　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。
　　　　从上面所描述过程可知：
　　　　1. 客户与服务器进程的作用是非对称的，因此编码不同。
　　　　2. 服务进程一般是先涌纪纪户请求而启动的。只要系统运行，该服务进程一直存在，直到正常或强迫终止。
　　　　介绍完基础知识,下面就介绍一些API函数:
　　　　创建套接字──socket()
　　　　应用程序在使用套接字前，首先必须拥有一个套接字，系统调用socket()向应用程序提供创建套接字的手段，其调用格式如下：
　　　　SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol);
　　　　该调用要接收三个参数：af、type、protocol。参数af指定通信发生的区域，：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、 WINDOWS中仅支持AF_INET，它是网际网区域。因此，地址族与协议族相同。参数type 描述要建立的套接字的类型。这里分三种:一是TCP流式套接字(SOCK_STREAM)提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地发送，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。文件传送协议(FTP)即使用流式套接字。
　　　　二是数据报式套接字(SOCK_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，并且接收顺序混乱。网络文件系统(NFS)使用数据报式套接字。三是原始式套接字 (SOCK_RAW)该接口允许对较低层协议，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.参数protocol说明该套接字使用的特定协议，如果调用者不希望特别指定使用的协议，则置为0，使用默认的连接模式。根据这三个参数建立一个套接字，并将相应的资源分配给它，同时返回一个整型套接字号。因此，socket()系统调用实际上指定了相关五元组中的“协议”这一元。
　　　　指定本地地址──bind()
　　　　当一个套接字用socket()创建后，存在一个名字空间(地址族),但它没有被命名。bind()将套接字地址(包括本地主机地址和本地端口地址)与所创建的套接字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。其调用格式如下：
　　　　int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);
　　　　参数s是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符(套接字号)。参数name 是赋给套接字s的本地地址(名字)，其长度可变，结构随通信域的不同而不同。namelen表明了name的长度.如果没有错误发生，bind()返回0。否则返回SOCKET_ERROR。
　　　　建立套接字连接──connect()与accept()
　　　　这两个系统调用用于完成一个完整相关的建立，其中connect()用于建立连接。无连接的套接字进程也可以调用connect()，但这时在进程之间没有实际的报文交换，调用将从本地操作系统直接返回。这样做的优点是程序员不必为每一数据指定目的地址，而且如果收到的一个数据报，其目的端口未与任何套接字建立“连接”，便能判断该端靠纪纪可操作。而accept()用于使服务器等待来自某客户进程的实际连接。
　　　　connect()的调用格式如下：
　　　int PASCAL FAR connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);
　　　　参数s是欲建立连接的本地套接字描述符。参数name指出说明对方套接字地址结构的指针。对方套接字地址长度由namelen说明。
　　　　如果没有错误发生，connect()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。在面向连接的协议中，该调用导致本地系统和外部系统之间连接实际建立。
　　　　由于地址族总被包含在套接字地址结构的前两个字节中，并通过socket()调用与某个协议族相关。因此bind()和connect()无须协议作为参数。
　　　　accept()的调用格式如下：
　　　
　　　SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);
　　　　参数s为本地套接字描述符，在用做accept()调用的参数前应该先调用过listen()。addr 指向客户方套接字地址结构的指针，用来接收连接实体的地址。addr的确切格式由套接字创建时建立的地址族决定。addrlen 为客户方套接字地址的长度(字节数)。如果没有错误发生，accept()返回一个SOCKET类型的值，表示接收到的套接字的描述符。否则返回值INVALID_SOCKET。
　　　　accept() 用于面向连接服务器。参数addr和addrlen存放客户方的地址信息。调用前，参数addr 指向一个初始值为空的地址结构，而addrlen 的初始值为0;调用accept()后，服务器等待从编号为s的套接字上接受客户连接请求，而连接请求是由客户方的connect()调用发出的。当有连接请求到达时，accept()调用将请求连接队列上的第一个客户方套接字地址及长度放入addr 和addrlen，并创建一个与s有相同特性的新套接字号。新的套接字可用于处理服务器并发请求。
　　　　四个套接字系统调用，socket()、bind()、 connect()、accept()，可以完成一个完全五元相关的建立。socket()指定五元组中的协议元，它的用法与是否为客户或服务器、是否面向连接无关。bind()指定五元组中的本地二元，即本地主机地址和端口号，其用法与是否面向连接有关：在服务器方，无论是否面向连接，均要调用 bind()，若采用面向连接，则可以不调用bind()，而通过connect()自动完成。若采用无连接，客户方必须使用bind()以获得一个唯一的地址。
　　      监听连接──listen()
　　　　此调用用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。listen()需在accept()之前调用，其调用格式如下：
　　　　int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);
　　　　参数s标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号，服务器愿意从它上面接收请求。backlog表示请求连接队列的最大长度，用于限制排队请求的个数，目前允许的最大值为5。如果没有错误发生，listen()返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。
　　　　listen()在执行调用过程中可为没有调用过bind()的套接字s完成所必须的连接，并建立长度为backlog的请求连接队列。
　　　　调用listen()是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。它在调用socket()分配一个流套接字，且调用bind()给s赋于一个名字之后调用，而且一定要在accept()之前调用。
　　　　数据传输──send()与recv()
　　　　当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有send()和recv()。
　　　　send()调用用于钥纪纪数s指定的已连接的数据报或流套接字上发送输出数据，格式如下：
　　int PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);
　　　　参数s为已连接的本地套接字描述符。buf 指向存有发送数据的缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否发送带外数据等。如果没有错误发生，send()返回总共发送的字节数。否则它返回SOCKET_ERROR。
　　　　recv()调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上接收输入数据，格式如下：
　　　int PASCAL FAR recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);
　　　　参数s 为已连接的套接字描述符。buf指向接收输入数据缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否接收带外数据等。如果没有错误发生，recv()返回总共接收的字节数。如果连接被关闭，返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。
　　　　输入/输出多路复用──select()
　　　　select() 调用用来检测一个或多个套接字的状态。对每一个套接字来说，这个调用可以请求读、写或错误状态方面的信息。请求给定状态的套接字集合由一个fd_set结构指示。在返回时，此结构被更新，以反映那些满足特定条件的套接字的子集，同时， select()调用返回满足条件的套接字的数目，其调用格式如下：
　　　int PASCAL FAR select(int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout);
　　　　参数nfds指明被检查的套接字描述符的值域，此变量一般被忽略。
　　　　参数readfds指向要做读检测的套接字描述符集合的指针，调用者希望从中读取数据。参数writefds 指向要做写检测的套接字描述符集合的指针。 exceptfds指向要检测是否出错的套接字描述符集合的指针。timeout指向select()函数等待的最大时间，如果设为NULL则为阻塞操作。select()返回包含在fd_set结构中已准备好的套接字描述符的总数目，或者是发生错误则返回SOCKET_ERROR。
　　　　关闭套接字──closesocket()
　　　　closesocket()关闭套接字s，并释放分配给该套接字的资源;如果s涉及一个打开的TCP连接，则该连接被释放。closesocket()的调用格式如下：
　　　　BOOL PASCAL FAR closesocket(SOCKET s);
　　　　参数s待关闭的套接字描述符。如果没有错误发生，closesocket()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。
　　　　以上就是SOCKET API一些常用的API函数,下面我在介绍C/S模式就是客户机/服务器通讯模式,服务器启动服务并在相应端口内侦听,客户机打开连接,完成通讯链路的建立后,双方进行数据交互,完毕后关闭套接字.
　　　　好了,SOCKET基础我们就介绍到这里