Socket编程基础

本章以Berkeley Socket为主，主要介绍网络编程时常用的调用和程序使用它们的方法及基本结构。网络编程有两种主要的编程接口，一种是Berkeley UNIX（BSD UNIX）的socket编程接口，另一种是AT&T的TLI接口（用于UNIXSYSV）。

1 、TCP/IP 基础知识

这里先假定读者对ISO的OSI七层模型已有了一定的了解，下面我们来看看TCP/IP模型。ISO的OSI对服务、接口和协议的概念区别十分明了，但它却没有真正的用户群。TCP/IP模型对服务、接口和协议的概念区别不象OSI模型那样明晰，但很实用。TCP/IP模型分为四层，对应于OSI七层模型如下图所示：图6-1 TCP/IP参考模型与OSI模型的近似对应关系在TCP/IP模型中，互联网层是基于无连接互联网络层的分组交换网络。在这一层中主机可以把报文（Packet）发往任何网络，报文独立地传向目标。互联网层定义了报文的格式和协议，这就是IP协议族（Internet Protocol）。互联网层的功能是将报文发送到目的地，主要的设计问题是报文路由和避免阻塞。互联网层上面是传输层，该层的主要功能和OSI模型的该层一样，主要使源和目的主机之间可以进行会话。该层定义了两个端到端的协议，一个是面向连接的传输控制协议TCP，另一个是无连接的用户数据报协议UDP。TCP/IP协议模型中没有会话层和表示层。传输层之上是应用层，它包含所有的高层协议，如远程虚拟终端协议TELNET、文件传输协议FTP、简单邮件传输协议SMTP等。这些高层协议中常见的如TELNET协议，用来允许用户远程登录到另一台UNIX机器；FTP协议用来传输文件，常见的有WU-FTP（Washington University的FTP服务器端程序，是一个免费程序）；SMTP协议用来传送email，常见的服务器端程序有netscape等公司制作的程序，也有免费使用的sendmail程序；还有域名系统服务DNS协议，新闻组传送协议NNTP，用于WWW的超文本传输协议HTTP等。主机到网络这一层，在TCP/IP模型中没有详细定义，这里不作介绍。

2、 Socket一般描述

由于越来越多的计算机厂商，特别是工作站制造商如Sun等公司采用了Berkeley UNIX，socket接口被广泛采用，以至于现在，socket接口被广泛认可并成为了事实上的工业标准。目前的SYSV、BSD、OSF都将socket接口作为系统的一部分。当时设计如何支持TCP/IP协议时，有两种加入函数的方法，一种是直接加入支持TCP/IP协议的调用，另一种是加入支持一般网络协议的函数，而用参数来指定支持TCP/IP协议。Berkeley采用了后者，这样可以支持多协议族，TCP/IP是协议族之一（PF_INET）。

2.1 socket 描述符

前面已经提到过，在UNIX中，进程要对文件进行操作，一般使用open调用打开一个文件进行访问，每个进程都有一个文件描述符表，该表中存放打开的文件描述符。用户使用open等调用得到的文件描述符其实是文件描述符在该表中的索引号，该表项的内容是一个指向文件表的指针。应用程序只要使用该描述符就可以对指定文件进行操作。同样，socket接口增加了网络通信操作的抽象定义，与文件操作一样，每个打开的socket都对应一个整数，我们称它为socket描述符，该整数也是socket描述符在文件描述符表中的索引值。但socket描述符在描述符表中的表项并不指向文件表，而是指向一个与该socket有关的数据结构。BSD UNIX中新增加了一个socket调用，应用程序可以调用它来新建一个socket描述符，注意进程用open只能产生文件描述符，而不能产生socket描述符。socket调用只能完成建立通信的部分工作，一旦建立了一个socket，应用程序可以使用其他特定的调用来为它添加其他详细信息，以完成建立通信的过程。

2.2 从概念上理解socket的使用网络编程中最常见的是客户/服务器模式。

以该模式编程时，服务端有一个进程（或多个进程）在指定的端口等待客户来连接，服务程序等待客户的连接信息，一旦连接上之后，就可以按设计的数据交换方法和格式进行数据传输。客户端在需要的时刻发出向服务端的连接请求。

这里为了便于理解，提到了这些调用及其大致的功能。使用socket调用后，仅产生了一个可以使用的socket描述符，这时还不能进行通信，还要使用其他的调用，以使得socket所指的结构中使用的信息被填写完。在使用TCP协议时，一般服务端进程先使用socket调用得到一个描述符，然后使用bind调用将一个名字与socket描述符连接起来，对于Internet域就是将Internet地址联编到socket。之后，服务端使用listen调用指出等待服务请求队列的长度。然后就可以使用accept调用等待客户端发起连接（一般是阻塞等待连接，后面章节会讲到非阻塞的方式），一旦有客户端发出连接，accept返回客户的地址信息，并返回一个新的socket描述符，该描述符与原先的socket有相同的特性，这时服务端就可以使用这个新的socket进行读写操作了。一般服务端可能在accept返回后创建一个新的进程进行与客户的通信，父进程则再到accept调用处等待另一个连接。客户端进程一般先使用socket调用得到一个socket描述符，然后使用connect向指定的服务器上的指定端口发起连接，一旦连接成功返回，就说明已经建立了与服务器的连接，这时就可以通过socket描述符进行读写操作了。下面是在客户和服务端使用TCP时，客户进程和服务进程使用系统调用的该程。

使用TCP的客户和服务端使用系统调用的图示使用无连接的UDP协议时，服务端进程创建一个socket，之后调用recvfrom接收客户端的数据报，然后调用sendto将要返回客户端的消息发送给客户进程。客户端也要先创建一个socket，再使用sendto向服务端进程发出请求，使用recvfrom得到返回的消息。