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一、Socket 介绍
所谓socket通常也称作 “套接字”，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。应用程序通常通过 “套接字” 向网络发出请求或者应答网络请求 。
Socket 是计算机网络编程中一个重要的概念，它是在应用层和传输层之间提供的一种抽象接口，用于实现应用程序之间的数据交换。Socket 允许程序员使用一种通用的接口来访问底层传输协议，如 TCP 和 UDP，以便进行网络通信。
Socket 是一种编程接口，它提供了一种标准化的方式来创建网络连接，并允许应用程序在网络上发送和接收数据。Socket API 提供了一组函数，这些函数可以用于创建和配置套接字，建立连接，发送和接收数据，以及关闭连接等操作。
Socket 包括流式 Socket（基于 TCP）和数据报式 Socket（基于 UDP）,其中，TCP面向连接，可靠性较高，可实现有序、零差错的传输；而 UDP 不能确保传输的数据按序、及时到达，因此，UDP 主要出现在数据可靠性要求较低的场合。常见的 Socket 编程相关术语进行介绍：
| 相关术语 | 介绍 |
|---|---|
| IP 地址 | 唯一标识了网络上的一台主机 |
| 端口号 | 是一个 16 位数字，用于标识一个应用程序在主机上的具体位置 |
| 套接字 | 用于标识一条网络连接的两端，包含 IP 地址和端口号 |
| 服务器 | 在网络上提供服务的主机 |
| 客户端 | 与服务器进行通信的主机 |
一 个Socket 主要由５个信息所构成，分别为：协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号。
- 协议指定了socket所使用的的通讯协议，一般有TCP或者UDP等。
- 本地IP地址即本地主机的地址。
- 本地端口号用以和本地运行的其他程序所区分。
- 远地IP地址即依照网络协议分配给远程主机的网络地址。
- 远地端口号用以和远程主机运行的其他程序所区分。
二、Socket 通信模型
Socket 编程通常分为两个部分：服务器端和客户端。
服务器端监听一个指定的端口，等待客户端连接。一旦客户端连接到服务器端，服务器端将创建一个新的套接字来处理该客户端的请求。服务器可以同时处理多个客户端请求，每个客户端都会有自己的套接字连接。
客户端首先创建一个套接字，然后连接到服务器端的指定 IP 地址和端口号。一旦连接建立，客户端可以通过套接字发送和接收数据。客户端通常是一次性连接，一旦任务完成就关闭套接字。
Socket 编程可以用于各种不同的应用程序，例如聊天程序、文件传输、在线游戏等。Socket编程还可以用于创建网络服务器，提供 Web 服务、FTP 服务、邮件服务等。
三、Socket 常用函数
socket 编程的系统调用常用函数如下所示：
- 创建套接字 socket(domain, type, protocol)
- 绑定套接字 bind(sockfd, addr, addrlen)
- 监听连接 listen(sockfd, backlog)
- 接受连接 accept(sockfd, addr, addrlen)
- 接收和发送数据 recv(sockfd, buf, len, flags)、send(sockfd, buf, len, flags)
- 关闭套接字 close(sockfd)
1 创建套接字
在 Linux socket 编程中，创建套接字是构建网络应用程序的第一步。套接字可以理解为应用程序和网络之间的桥梁，用于在网络上进行数据的收发和处理。在 Linux 中，可以使用 socket 系统调用创建套接字。该系统调用的原型和所需头文件如下所示：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket( (int domain, int type, int protocol );
其中，domain 参数指定了套接字的协议族，type 参数指定了套接字的类型，protocol 参数指定了套接字所使用的具体协议。下面分别介绍这三个参数的含义：
- 协议族
协议族指定了套接字所使用的协议类型，常用的协议族包括 AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX等。其中，AF_INET 表示 IPv4 协议族，AF_INET6 表示 IPv6 协议族，AF_UNIX 表示 Unix 域协议族。 - 套接字类型
套接字类型指定了套接字的数据传输方式，常用的套接字类型包括 SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW 等。其中，SOCK_STREAM 表示面向连接的流套接字，主要用于可靠传输数据，例如 TCP 协议。SOCK_DGRAM 表示无连接的数据报套接字，主要用于不可靠传输数据，例如 UDP 协议。SOCK_RAW 表示原始套接字，可以直接访问底层网络协议。 - 协议类型
协议类型指定了套接字所使用的具体协议类型，常用的协议类型包括 IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_ICMP 等。其中，IPPROTO_TCP 表示 TCP 协议，IPPROTO_UDP 表示 UDP协议，IPPROTO_ICMP 表示 ICMP 协议，通常使用 0 表示由系统自动选择适合的协议。
例如可以使用以下代码创建一个新的套接字：
int sockfd = = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
2 绑定套接字
创建套接字后，需要将其与一个网络地址绑定，以便其他计算机可以访问该套接字。在 Linux系统下，可以使用 bind()系统调用绑定套接字和地址。该系统调用的原型和所需头文件如下所示：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind( (int sockfd， const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
其中，sockfd 参数指定了需要绑定的套接字描述符，addr 参数指定了需要绑定的地址信息，可以是 struct sockaddr_in 或 struct sockaddr_in6 等结构体类型，addrlen 参数指定了地址信息的长度。使用以下代码将套接字和地址绑定：
// bind port
// 创建一个 sockaddr_in 结构体类型的 servaddr 变量用于存储服务器的地址信息，并将其清零。
struct sockaddr_in bindaddr;
memset (&bindaddr, 0, sizeof(bindaddr);
bindaddr.sin_family = AF_INET;//指定使用 IPv4 协议（AF_INET）
bindaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//监听本地任意可用的 IP 地址（INADDR_ANY）
bindaddr.sin_port = htons(3000);//使用指定的端口号（port）
// 将套接字 listenfd 绑定到指定的地址 bindaddr上，bind() 函数返回值为 0 表示绑定成功
if(0 != bind(listenfd, (struct sockaddr *)&bindaddr, sizeof(bindaddr))) {
printf("bind error\n");
return -1;
}
在初始化 sockaddr_in 结构体时，用到了以下函数：
- memset() ：用来将 sockaddr_in 结构体的各个成员变量初始化为 0，这是一个常用的初始化方式。其函数原型如下：
#include <string.h>
// s 参数是需要被初始化的内存区域指针，c 参数是填充字符，n 参数是需要填充的内存字节数。
void *memset( void *s, int c, size_t n );
- htonsl()和 和 htons()：用于将本机字节序的端口号转换为网络字节序的端口号。其函数原型如下：
#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong );
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
其中，hostshort 和 hostlong 参数是本机字节序的端口号，函数返回值是网络字节序的端口号。
3、监听连接
绑定套接字后，需要开始监听连接请求，以便其他网络上的客户端能够与该套接字建立连接。这一步骤通常在服务器端完成。在 Linux 系统下，可以使用 listen()系统调用监听套接字。该系统调用的原型如下：
#include <sys/socket.h>
int listen(int socket, int backlog);
其中，sockfd 参数指定了需要监听的套接字描述符，backlog 参数指定了连接队列的长度，即等待接受的连接数。例如可以使用以下代码开始监听连接.
// start listen
if (listen(listenfd, 2) != 0) {
printf("listem error\n");
return -1;
}
4、接受连接
当有客户端请求连接时，需要接受该连接并进行处理。在 Linux 系统下，可以使用 accept()，系统调用接受连接请求。该系统调用的原型和所需头文件如下所示：
#include <sys/socket.h>
int accept (int __fd, __SOCKADDR_ARG __addr, socklen_t *__restrict __addr_len);
其中，sockfd 参数指定了需要接受连接的套接字描述符，addr 参数用于存储客户端的地址信息，addrlen 参数用于存储地址信息的长度。使用以下代码接受连接请求：
// 定义一个 sockaddr_in 结构体，用于存储客户端的 IP 地址和端口号
struct sockaddr_in clientaddr;
// 定义一个 socklen_t 类型的变量 clientaddrlen ，用于存储客户端地址结构体的长度
socklen_t clientaddrlen = sizeof(clientaddr);
// 调用 accept() 系统调用，接受客户端的连接请求，并返回一个新的套接字描述符 connfd，用于与客户端进行通信。
// accept() 函数会阻塞程序，直到有客户端连接到服务器端。
// listenfd 是服务端的监听套接字， clientaddr 是指向 sockaddr_in 结构体的指针，用于存储客户端的地址信息。
// clientaddrlen 是客户端地址结构体的长度，accept() 函数会将实际接受到的客户端地址长度存储到该变量中。
int clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientaddrlen);
if (clientfd >= 0) { // 判断 accept() 函数的返回值，判断客户端连接是否失败
// 处理接收数据
} else{
printf("accept error\n");
}
5、接收和发送数据
在 Linux socket 编程中，接收和发送数据是套接字编程的核心步骤之一。当套接字绑定并且处于监听状态，已经成功接受了客户端的连接请求后，接下来就是进行数据的收发。下面将详细介绍如何在 Linux 系统中实现接收和发送数据的过程。
接收数据
在接收数据之前，需要先了解数据在网络传输中的一些基本概念。在 TCP 协议中，发送方发送的数据被分割成一个个 TCP 报文段，每个报文段都包含一个 TCP 首部和数据部分。TCP首部中包含了一些控制信息，如序号、确认号、窗口大小等，用来保证数据的可靠传输。而数据部分则是发送方发送的应用层数据，如 HTTP 报文、FTP 文件等。
在 Linux socket 编程中，接收数据的过程分为两步：先接收 TCP 首部，再接收数据部分。具体步骤如下：
（1）创建一个缓冲区用于接收数据。缓冲区的大小一般为数据部分的大小。
（2）调用 recv() 系统调用接收数据。其函数原型和所需头文件如下：
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buffer, size_t length, int flags );
其中，sockfd 参数是需要接收数据的套接字描述符，buf 参数是用于存储接收数据的缓冲区指针，len 参数是需要接收的数据的最大长度，flags 参数是接收标志，通常为 0。函数返回值为实际接收到的字节数，如果返回值为 0，表示对端已经关闭连接。
（3）在调用 recv() 系统调用时，会先接收 TCP 首部，然后再接收数据部分。如果数据部分比较大，可能需要多次调用 recv() 系统调用才能接收完整的数据。因此，需要使用一个循环来不断接收数据，直到接收到全部数据或者出现错误为止。另外，需要注意的是，recv() 系统调用是一个阻塞调用，即程序会一直等待直到接收到数据或者出现错误才会返回。如果不希望阻塞调用，可以使用非阻塞 I/O 或者多路复用技术。
（4） 处理接收到的数据。在数据接收完成后，需要对接收到的数据进行处理。具体处理方式根据具体的应用场景而定，如将接收到的数据显示在终端上、将数据写入文件等。
发送数据
发送数据的步骤如下：
（1）定义数据缓冲区：需要定义一个用于存储待发送数据的缓冲区，比如 char buf[MAXLINE]。
（2）将数据拷贝到缓冲区：将需要发送的数据拷贝到缓冲区中，可以使用 strcpy()、memcpy() 等函数进行拷贝操作。
（3）使用 send() 函数发送数据：send() 函数用于向已经建立连接的套接字发送数据，其函数原型如下：
#include <sys/socket.h>
ssize_t send( int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
函数调用成功将返回发送数据的字节数（返回值为非负数），返回-1 表示发送失败。sockfd 需要发送数据的套接字描述符；buf 待发送数据的缓冲区指针；len 待发送数据的长度；flags 传输标志，通常为 0。
// send data
int ret = send(clientfd, buf, strlen(buf), 0);
if (ret != strlen(buf)){
printf("send data error\n");
return -1;
}
需要注意的是，send() 函数并不保证一次能够将所有数据都发送出去，如果数据量比较大，可能需要多次调用 send() 函数才能将所有数据发送出去。
（4）判断是否发送完毕：可以通过判断 send() 函数的返回值和待发送数据的长度是否相等来确定是否发送完毕。
6、关闭套接字
关闭套接字是一个非常重要的步骤。当套接字不再需要使用时，应该立即关闭以释放系统资源和避免资源浪费。关闭套接字的步骤非常简单，只需要调用 close() 系统调用即可。close()
系统调用的函数原型如下：
int close( (int sockfd );
其中，sockfd 参数是需要关闭的套接字描述符。函数返回值为 0 表示成功，返回值为 -1表示失败。
四、Socket编程试验
1、源码
server.c
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
// 自定义传输的数据
typedef struct msgbuf{
int id;
char str[32];
} msgbuf;
int main() {
// create socket
int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(-1 == listenfd) {
printf("create socket error");
return -1;
}
printf("server create socket ok!\n");
// bind port
// 创建一个 sockaddr_in 结构体类型的 servaddr 变量用于存储服务器的地址信息，并将其清零。
struct sockaddr_in bindaddr;
memset (&bindaddr, 0, sizeof(bindaddr));
bindaddr.sin_family = AF_INET;//指定使用 IPv4 协议（AF_INET）
bindaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//监听本地任意可用的 IP 地址（INADDR_ANY）
bindaddr.sin_port = htons(3000);//使用指定的端口号（port）
// 将套接字 listenfd 绑定到指定的地址 bindaddr上，bind() 函数返回值为 0 表示绑定成功
if(0 != bind(listenfd, (struct sockaddr *)&bindaddr, sizeof(bindaddr))) {
printf("bind error\n");
return -1;
}
// start listen
if (listen(listenfd, 2) != 0) {
printf("listem error\n");
return -1;
}
msgbuf socmsg;
// 定义一个 sockaddr_in 结构体，用于存储客户端的 IP 地址和端口号
struct sockaddr_in clientaddr;
// 定义一个 socklen_t 类型的变量 clientaddrlen ，用于存储客户端地址结构体的长度
socklen_t clientaddrlen = sizeof(clientaddr);
// accept connection
// 调用 accept() 系统调用，接受客户端的连接请求，并返回一个新的套接字描述符 connfd，用于与客户端进行通信。
// accept() 函数会阻塞程序，直到有客户端连接到服务器端。
// listenfd 是服务端的监听套接字， clientaddr 是指向 sockaddr_in 结构体的指针，用于存储客户端的地址信息。
// clientaddrlen 是客户端地址结构体的长度，accept() 函数会将实际接受到的客户端地址长度存储到该变量中。
int clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientaddrlen);
if (clientfd >= 0) { // 判断 accept() 函数的返回值，判断客户端连接是否失败
while (1) {
socmsg.id = 0;
memset(socmsg.str, ' ',sizeof(socmsg.str));
// receive data
int ret = recv(clientfd, &socmsg, sizeof(socmsg), 0);
if (ret > 0) {
printf("recv data from client, data: %d %s\n", socmsg.id, socmsg.str);
printf("send data ...\n");
// send data
ret = send(clientfd, &socmsg, sizeof(socmsg), 0);
if (ret != sizeof(socmsg)) {
printf("send data error.\n");
}
} else {
// printf("recv data error.\n");
sleep(1);
}
}
close(clientfd);
} else{
printf("accept error\n");
}
//close socket
close(listenfd);
return 0;
}
client.c
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
typedef struct msgbuf{
int id;
char str[32];
} msgbuf;
int main(int argc, const char *argv[]) {
char *ip = "192.168.1.100"; // 服务器默认的IP，可以改成服务器实际IP
// create socket
int clientfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(-1 == clientfd) {
printf("create socket error");
return -1;
}
printf("client create socket ok!\n");
// connect server
struct sockaddr_in serveraddr;
serveraddr.sin_family = AF_INET;
if (argc == 2) { // 如果有输入IP参数，使用输入的IP参数
printf("%s\r\n", argv[1]);
serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); // 从命令行参数中获取服务器 IP 地址
} else {
serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
}
serveraddr.sin_port = htons(3000);
if(-1 == connect(clientfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr))) {
printf("connect error\n");
return -1;
}
printf("connect OK\n");
msgbuf socmsg;
int i =0;
while(1) {
sleep(1);
socmsg.id = i++;
memcpy(socmsg.str,"this is my test msg", strlen("this is my test msg"));
// send data
int ret = send(clientfd, &socmsg, sizeof(socmsg), 0);
if (ret != sizeof(socmsg)){
printf("send data error\n");
return -1;
}
printf("send data ok, %d %s\n",socmsg.id, socmsg.str);
// receive data
socmsg.id = 0;
// socmsg.str[128] = {0};
memset(socmsg.str, ' ',sizeof(socmsg.str));
ret = recv(clientfd, &socmsg, sizeof(socmsg), 0);
if (ret > 0) {
printf("receive data from server: %d %s\n", socmsg.id, socmsg.str);
} else {
printf("receive data error\n");
}
}
// close socket
close(clientfd);
return 0;
}
2、编译：
gcc -o server server.c
gcc -o client client.c
如果client是在板子上执行，需要使用板子系统对应的交叉编译器来编译。例如：aarch64-linux-gnu-gcc -o client client.c
3、执行结果
本例程只作为一个简单的demo，体验下socket通讯。
五、补充TCP和UDP协议的Socket流程对比
在一般的网络书籍中，网络协议被分为 5 层：
⚫应用层：它是体系结构中的最高层，直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务。在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议，支持文件传送的 FTP ， DNS，POP3， SNMP， Telnet 等等。
⚫运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。
运输层主要使用以下两种协议：
① 传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。
② 用户数据包协议 UDP(User Datagram Protocol)：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。
⚫ 网络层：负责将被称为数据包（datagram）的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。
⚫ 链路层：因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。
⚫ 物理层：在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。
这些层对于初学者来说很难理解，我们只需要知道：我们需要使用“运输层”编写应用程序，我们的应用程序位于“应用层”。使用“运输层”时，可以选择 TCP 协议，也可以选择 UDP 协议。
1、TCP 和 和 UDP区别
TCP 向它的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务有 2 个特点：可靠传输、流量控制（即发送方/接收方速率匹配）。它包括了应用层报文划分为短报文，并提供拥塞控制机制。
UDP 协议向它的应用程序提供无连接服务。它没有可靠性，没有流量控制，也没有拥塞控制。
既然 TCP 提供了可靠数据传输服务，而 UDP 不能提供，那么 TCP 是否总是首选呢？
答案是否定的，因为有许多应用更适合用 UDP，举个例子：视频通话时，使用 UDP，偶尔的丢包、偶尔的花屏时可以忍受的；如果使用 TCP，每个数据包都要确保可靠传输，当它出错时就重传，这会导致后续的数据包被阻滞，视频效果反而不好。使用 UDP 时，有如下特点：
① 关于何时发送什么数据控制的更为精细
采用 UDP 时只要应用进程将数据传递给 UDP，UDP 就会立即将其传递给网络层。而 TCP 有重传机制，而不管可靠交付需要多长时间。但是实时应用通常不希望过分的延迟报文段的传送，且能容忍一部分数据丢失。
② 无需建立连接，不会引入建立连接时的延迟。
③ 无连接状态，能支持更多的活跃客户。
④ 分组首部开销较小。
2、TCP工作流程图
3、UDP工作流程图
