一、通訊示意圖

二、函式詳解

1、socket()函式

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

socket函式對應於普通檔案的開啟操作。普通檔案的開啟操作返回一個檔案描述字，而socket()用於建立一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟檔案描述字一樣，後續的操作都有用到它，把它作為引數，通過它來進行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同引數值，以開啟不同的檔案。建立socket的時候，也可以指定不同的引數建立不同的socket描述符，socket函式的三個引數分別為：

• domain：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址型別，在通訊中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與埠號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
• type：指定socket型別。常用的socket型別有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的型別有哪些？）。
• protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（這個協議我將會單獨開篇討論！）。

注意：並不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type型別對應的預設協議。

當我們呼叫socket建立一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須呼叫bind()函式，否則就當呼叫connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個埠。

2、bind()函式

正如上面所說bind()函式把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和埠號組合賦給socket。

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

函式的三個引數分別為：

• sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函式建立了，唯一標識一個socket。bind()函式就是將給這個描述字繫結一個名字。
• addr：一個const struct sockaddr *指標，指向要繫結給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址建立socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是：

  struct sockaddr_in {
      sa_family_t    sin_family; 
      in_port_t      sin_port;   
      struct in_addr sin_addr;   
  };
  
  
  struct in_addr {
      uint32_t       s_addr;     
  };
  

  ipv6對應的是：

  struct sockaddr_in6 { 
      sa_family_t     sin6_family;    
      in_port_t       sin6_port;      
      uint32_t        sin6_flowinfo;  
      struct in6_addr sin6_addr;      
      uint32_t        sin6_scope_id;  
  };
  
  struct in6_addr { 
      unsigned char   s6_addr[16];    
  };

• addrlen：對應的地址長度

3、listen()、connect()函式

如果作為一個伺服器，在呼叫socket()、bind()之後就會呼叫listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時呼叫connect()發出連線請求，伺服器端就會接收到這個請求。

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

listen函式的第一個引數即為要監聽的socket描述字，第二個引數為相應socket可以排隊的最大連線個數。socket()函式建立的socket預設是一個主動型別的，listen函式將socket變為被動型別的，等待客戶的連線請求。

connect函式的第一個引數即為客戶端的socket描述字，第二引數為伺服器的socket地址，第三個引數為socket地址的長度。客戶端通過呼叫connect函式來建立與TCP伺服器的連線。

4、accept()函式

TCP伺服器端依次呼叫socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次呼叫socket()、connect()之後就想TCP伺服器傳送了一個連線請求。TCP伺服器監聽到這個請求之後，就會呼叫accept()函式取接收請求，這樣連線就建立好了。之後就可以開始網路I/O操作了，即類同於普通檔案的讀寫I/O操作。

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

accept函式的第一個引數為伺服器的socket描述字，第二個引數為指向struct sockaddr *的指標，用於返回客戶端的協議地址，第三個引數為協議地址的長度。如果accpet成功，那麼其返回值是由核心自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連線。

注意：accept的第一個引數為伺服器的socket描述字，是伺服器開始呼叫socket()函式生成的，稱為監聽socket描述字；而accept函式返回的是已連線的socket描述字。一個伺服器通常通常僅僅只建立一個監聽socket描述字，它在該伺服器的生命週期內一直存在。核心為每個由伺服器程序接受的客戶連線建立了一個已連線socket描述字，當伺服器完成了對某個客戶的服務，相應的已連線socket描述字就被關閉。

5、read()、write()等函式

萬事具備只欠東風，至此伺服器與客戶已經建立好連線了。可以呼叫網路I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同程序之間的通訊！網路I/O操作有下面幾組：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函式，這兩個函式是最通用的I/O函式，實際上可以把上面的其它函式都替換成這兩個函式。它們的宣告如下：

       #include 

       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

       #include 
       #include 

       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);

read函式是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的位元組數，如果返回的值是0表示已經讀到檔案的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網路連接出了問題。

write函式將buf中的nbytes位元組內容寫入檔案描述符fd.成功時返回寫的位元組 數。失敗時返回-1，並設定errno變數。在網路程式中，當我們向套接字檔案描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是 全部的資料。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤型別來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示 網路連接出現了問題(對方已經關閉了連線)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了，具體參見man文件或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

6、close()函式

在伺服器與客戶端建立連線之後，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完開啟的檔案要呼叫fclose關閉開啟的檔案。

#include 
int close(int fd);

close一個TCP socket的預設行為時把該socket標記為以關閉，然後立即返回到呼叫程序。該描述字不能再由呼叫程序使用，也就是說不能再作為read或write的第一個引數。

注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向伺服器傳送終止連線請求。

7、sockaddr_in和sockaddr詳解

三、socket三次握手建立連線

我們知道tcp建立連線要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下：

• 客戶端向伺服器傳送一個SYN J
• 伺服器向客戶端響應一個SYN K，並對SYN J進行確認ACK J+1
• 客戶端再想伺服器發一個確認ACK K+1

只有就完了三次握手，但是這個三次握手發生在socket的那幾個函式中呢？請看下圖：

                                                                      圖1、socket中傳送的TCP三次握手

從圖中可以看出，當客戶端呼叫connect時，觸發了連線請求，向伺服器傳送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態；伺服器監聽到連線請求，即收到SYN J包，呼叫accept函式接收請求向客戶端傳送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到伺服器的SYN K ，ACK J+1之後，這時connect返回，並對SYN K進行確認；伺服器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，連線建立。

四、socket四次握手釋放連線

圖2、socket中傳送的TCP四次握手

圖示過程如下：

• 某個應用程序首先呼叫close主動關閉連線，這時TCP傳送一個FIN M；

• 另一端接收到FIN M之後，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也作為檔案結束符傳遞給應用程序，因為FIN的接收意味著應用程序在相應的連線上再也接收不到額外資料；

• 一段時間之後，接收到檔案結束符的應用程序呼叫close關閉它的socket。這導致它的TCP也傳送一個FIN N；

• 接收到這個FIN的源傳送端TCP對它進行確認。

這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。

服務端：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/wait.h>

#define PORT 1500//埠號 
#define BACKLOG 5/*最大監聽數*/ 

int main(){
    int sockfd,new_fd;/*socket控制代碼和建立連線後的控制代碼*/
    struct sockaddr_in my_addr;/*本方地址資訊結構體，下面有具體的屬性賦值*/
    struct sockaddr_in their_addr;/*對方地址資訊*/
    int sin_size;

    sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//建立socket 
    if(sockfd==-1){
        printf("socket failed:%d",errno);
        return -1;
    }
    my_addr.sin_family=AF_INET;/*該屬性表示接收本機或其他機器傳輸*/
    my_addr.sin_port=htons(PORT);/*埠號*/
    my_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);/*IP，括號內容表示本機IP*/
    bzero(&(my_addr.sin_zero),8);/*將其他屬性置0*/
    if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&my_addr,sizeof(struct sockaddr))<0){//繫結地址結構體和socket
        printf("bind error");
        return -1;
    }
        listen(sockfd,BACKLOG);//開啟監聽 ，第二個引數是最大監聽數 
        while(1){
            sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
            new_fd=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&their_addr,&sin_size);//在這裡阻塞知道接收到訊息，引數分別是socket控制代碼，接收到的地址資訊以及大小 
            if(new_fd==-1){
                printf("receive failed");
        } else{
            printf("receive success");
            send(new_fd,"Hello World!",12,0);//傳送內容，引數分別是連線控制代碼，內容，大小，其他資訊（設為0即可） 
        }
    }
    return 0;
} 

客戶端：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/wait.h>

 
#define DEST_PORT 1500//目標地址埠號 
#define DEST_IP "127.0.0.1"/*目標地址IP，這裡設為本機*/ 
#define MAX_DATA 100//接收到的資料最大程度 

int main(){
    int sockfd,new_fd;/*cocket控制代碼和接受到連線後的控制代碼 */
    struct sockaddr_in dest_addr;/*目標地址資訊*/
    char buf[MAX_DATA];//儲存接收資料 

    sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/*建立socket*/
    if(sockfd==-1){
        printf("socket failed:%d",errno);
    }


    //引數意義見上面伺服器端 
    dest_addr.sin_family=AF_INET;
     dest_addr.sin_port=htons(DEST_PORT);
    dest_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(DEST_IP);
    bzero(&(dest_addr.sin_zero),8);
    
    if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&dest_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1){//連線方法，傳入控制代碼，目標地址和大小 
        printf("connect failed:%d",errno);//失敗時可以列印errno 
    } else{
        printf("connect success");
        recv(sockfd,buf,MAX_DATA,0);//將接收資料打入buf，引數分別是控制代碼，儲存處，最大長度，其他資訊（設為0即可）。 
        printf("Received:%s",buf);
    }
    close(sockfd);//關閉socket 
    return 0;
}