SOCKET编程原理

对 TCP/IP 、 UDP 、 Socket 编程这些词你不会很陌生吧？随着网络技术的发展，这些词充斥着我们的耳朵。那么我想问：

1. 什么是 TCP/IP、UDP？
2. Socket在哪里呢？
3. Socket是什么呢？
4. 你会使用它们吗？

什么是TCP/IP、UDP？

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
这里有一张图，表明了这些协议的关系。

图1

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。
Socket在哪里呢？
在图1中，我们没有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？还是用图来说话，一目了然。

图2

原来Socket在这里。
Socket是什么呢？
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。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。
你会使用它们吗？
前人已经给我们做了好多的事了，网络间的通信也就简单了许多，但毕竟还是有挺多工作要做的。以前听到Socket编程，觉得它是比较高深的编程知识，但是只要弄清Socket编程的工作原理，神秘的面纱也就揭开了。
一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不一定。

 

图3

先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。
在这里我就举个简单的例子，我们走的是TCP协议这条路（见图2）。例子用MFC编写，运行的界面如下：

 

图4

 

图5

在客户端输入服务器端的IP地址和发送的数据，然后按发送按钮，服务器端接收到数据，然后回应客户端。客户端读取回应的数据，显示在界面上。
下面是接收数据和发送数据的函数：

int Receive(SOCKET fd, char *szText, int len)
{
    int cnt;
    int rc;
    cnt = len;
    while (cnt > 0)
        {
        rc = recv(fd, szText, cnt, 0);
        if (rc == SOCKET_ERROR)
            {
            return  - 1;
            }
        if (rc == 0)
            return len - cnt;
        szText += rc;
        cnt -= rc;
        }
    return len;
}

int Send(SOCKET fd, char *szText, int len)
{
    int cnt;
    int rc;
    cnt = len;
    while (cnt > 0)
        {
        rc = send(fd, szText, cnt, 0);
        if (rc == SOCKET_ERROR)
            {
            return  - 1;
            }
        if (rc == 0)
            return len - cnt;
        szText += rc;
        cnt -= rc;
        }
    return len;
}

服务器端：

在服务器端，主要是启动Socket和监听线程。

#define DEFAULT_PORT 2000
void CServerDlg::OnStart()
{
    sockaddr_in local;
    DWORD dwThreadID = 0;
    local.sin_family = AF_INET;
    //设置的端口为DEFAULT_PORT。
    local.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);
    //IP地址设置成INADDR_ANY,让系统自动获取本机的IP地址。
    local.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;
    //初始化Socket
    m_Listening = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (m_Listening == INVALID_SOCKET)
        {
        return ;
        }
    //将本地地址绑定到所创建的套接字上
    if (bind(m_Listening, (LPSOCKADDR) &local, sizeof(local)) == SOCKET_ERROR)
        {
        closesocket(m_Listening);
        return ;
        }
    //创建监听线程，这样也能响应界面上操作。
    m_hListenThread = ::CreateThread(NULL, 0, ListenThread, this, 0,
            &dwThreadID);
    m_StartBtn.EnableWindow(FALSE);
    m_StopBtn.EnableWindow(TRUE);
}

//监听线程函数：
WORD WINAPI CServerDlg::ListenThread(LPVOID lpparam)
{
    CServerDlg *pDlg = (CServerDlg*)lpparam;
    if (pDlg == NULL)
        return 0;
    SOCKET Listening = pDlg->m_Listening;
    //开始监听是否有客户端连接。
    if (listen(Listening, 40) == SOCKET_ERROR)
        {
        return 0;
        }
    char szBuf[MAX_PATH];
    //初始化
    memset(szBuf, 0, MAX_PATH);
    while (1)
        {
        SOCKET ConnectSocket;
        sockaddr_in ClientAddr;
        int nLen = sizeof(sockaddr);
        //阻塞直到有客户端连接，不然多浪费CPU资源。
        ConnectSocket = accept(Listening, (sockaddr*) &ClientAddr, &nLen);
        //都到客户端的IP地址。
        char *pAddrname = inet_ntoa(ClientAddr.sin_addr);
        pDlg->Receive(ConnectSocket, szBuf, 100);
        //界面上显示请求数据。
        pDlg->SetRequestText(szBuf);
        strcat(szBuf, " :我是老猫，收到（");
        strcat(szBuf, pAddrname);
        strcat(szBuf, "）");
        //向客户端发送回应数据
        pDlg->Send(ConnectSocket, szBuf, 100);
        }
    return 0;
}

 

服务器端一直在监听是否有客户端连接，如有连接，处理客户端的请求，给出回应，然后继续监听。

客户端：

客户端的发送函数：

#define DEFAULT_PORT 2000
void CClientDlg::OnSend()
{
    DWORD dwIP = 0;
    TCHAR szText[MAX_PATH];
    memset(szText, 0, MAX_PATH);
    m_IP.GetWindowText(szText, MAX_PATH);

    //把字符串形式的IP地址转成IN_ADDR结构需要的形式。
    dwIP = inet_addr(szText);
    m_RequestEdit.GetWindowText(szText, MAX_PATH);
    ockaddr_in local;
    SOCKET socketTmp;

    //必须是AF_INET,表示该socket在Internet域中进行通信
    local.sin_family = AF_INET;

    //端口号
    local.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);

    //服务器的IP地址。
    local.sin_addr.S_un.S_addr = dwIP;

    //初始化Socket
    socketTmp = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    //连接服务器
    if (connect(socketTmp, (LPSOCKADDR) &local, sizeof(local)) < 0)
        {
        closesocket(socketTmp);
        MessageBox("连接服务器失败。");
        return ;
        }

    //发送请求，为简单只发100字节，在服务器端也规定100字节。
    Send(socketTmp, szText, 100);
    //读取服务器端返回的数据。
    memset(szText, 0, MAX_PATH);

    //接收服务器端的回应。
    Receive(socketTmp, szText, 100);
    CHAR szMessage[MAX_PATH];
    memset(szMessage, 0, MAX_PATH);
    strcat(szMessage, szText);

    //界面上显示回应数据。
    m_ReplyBtn.SetWindowText(szMessage);
    closesocket(socketTmp);
}

客户端就一个函数完成了一次通信。在这里IP地址为何用127.0.0.1呢？使用这个IP地址，服务器端和客户端就能运行在同一台机器上，这样调试方便多了。当然你可以在你朋友的机器上运行Server程序(本人在局域网中测试过)，在自己的机器上运行Client程序，当然输入的IP地址就该是你朋友机器的IP地址了。
简单的理论和实践都说了，现在Socket编程不神秘了吧？希望对你有些帮助。

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以下是作者和读者的舌战，讨论的是套接字到底是什么东西，讨论来讨论去貌似没一个统一的意见

re:　

BSD Socket是一个网络编程的API接口，它并非仅仅针对IP协议的。
把Socket放到TCP/UDP的协议上层似乎不是太妥当？

re:

其实socket也没有层的概念，在文章中我说过，它其实是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。

re:

将socket理解为tcp/udp的facade的确不够恰当。第一，socket并不是以面向对象的方式提供的，在这里引用面向对象和设计模式的术语失妥。第二，socket事实上并不是留给编程开发的，而是留给网络操作系统实现协议栈的一个支持模型。例如berkeley socket和windows socket。至于编程开发时使用的socket模型和相应的API，则是操作系统服务API。事实上socket也不是tcp/udp服务的全部而是部分。
不过文章归纳得还不错，只是没有提到tcp/udp中端口的概念是一大遗憾。如果用电话来对应网络会话的话，端口应该正好比分机号。

re:

其实对于facade设计模式，我的理解是不能局限于面向对象。facade定义是把很多复杂的东西放在后面，客户只需通过简单的接口，而不需要知道下面复杂的逻辑等。
当然由于我对socket还没有能达到很高的境界，所以还有很多不知的。我自己也正在学习，比如在socket编程中，select函数还是有很重要的地位的，等自己正在明白了，还会有下篇的介绍。

re:

楼主不够谦虚！楼主可能为自己“创造性地”将socket理解为tcp/ip的facade偷偷高兴呢，其实极其错误！
tcp/ip仅仅是一套协议、规范，并没有实体存在，是完全抽象的；socket模型则是清晰而具体的。而大部分情况下，门面模型是可有可无的，只是为了满足封装一个简单的外部门面而存在的，而你根本没有绕开socket去直接操纵tcp/ip的可能。换句话说，tcp/ip和socket并没有相提并论的前提，根本是为了解决同一个问题的两个步骤，是完全分离的。

re:

我想这不是谦虚不谦虚的问题，有问题就可以争论，你说呢？
有一点我想你说错了，牛人是可以绕过socket去直接操纵tcp/ip的，只要他对tcp/ip协议很了解。就说好的抓包程序，单用socket是无法实现的。

to 航天奇侠：
是用SmartDraw软件作的图。

re:

关系是不是搞反了哟。tcp/ip应该是建立在socket的基础之上的，"绕过socket去操作tcp/ip",还是第一次听到这样说。

re:

我们平时说的TCP/IP其实是一组协议，而不是一个叫TCP/IP的协议，它包括运输层，网络层，链路层。
我们经常用的是TCP和UDP。

re:

我晕...抓包程序 基本上是使用raw socket(原始套接字)实现的,这是socket的高级功能，并不是因为对tcp/ip协议很了解，而是对socket很了解(当然不了解tcp/ip也无法理解高级的socket)。离开特定操作系统(或者虚拟机)讨论tcp/ip的编程是没有意义的。
@yf2008:没有tcp/ip建立在socket之上或者socket建立在tcp/ip之上这样的说法，都有自己的独立的完整体系，其功能也完全不同。

re:

raw socket其实就是跳过TCP，UDP这一层。用socket我们不光是只发数据了，还要TCP和UDP的头。
为何不能跳过socket呢？我个人觉得可以。跳过它，都自己干。当然这要很大的勇气和足够的知识。呵呵。
我看socket编程还是有很多讨论的地方的吗？欢迎多加讨论，这样我们就能搞清楚它了。共同进步是我们的目标。

shootingstar　re:

呵呵，越讨论越乱了 *_*
谈谈我的看法：
ip仅仅是一个协议，大家按照这个协议规范来发送和解析这个某个流。

大家可以自己一个字节一个字节来构建自己的IP数据报文，并非一定需要通过socket接口。（通过流行的winpcap，你可以抛开socket，发送自己构建的任意的IP报文）

socket是一个大家都认为好用的构建和解析IP协议的接口而已（当然socket并非仅仅能够构建和解析ip协议），其实有很多嵌入式设备还有其他的网络通讯接口（比如LWIP）。只不过在大部分操作系统上socket更加通用而已。

将socket放在tcp协议的上层或许说有些不妥，那么将tcp放在socket上层就更没有道理了。抓包程序完全可以不利用raw socket，目前的sniffer都是直接从驱动程序获得网络流，然后自己解析的。

re:

shootingstar:
我同意你的观点。
在我的文章中，我把socket看成一个抽象层，其实它不和运输层，网络层，链路层是同一概念的。看成一个抽象层，是为了更好的表达我想说的意思。在我看来，socket就是一组API，它把复杂的协议都放在后面了。

re:

固执的楼主还在坚持tcp有一个叫socket的facade吗？

@shootingstar:
当然可以不通过raw socket抓包，直接从数据链路层截获数据的话与tcp/udp就没有任何关系了。我的意图是针对楼主的socket是tcp/udp的facade的讲法的，并没有说只能通过raw socket抓包。

re:

什么是facade模式，你知道吗？
为一组具有复杂且全面的接口对象提供一个简单特定的接口。

我没有说tcp有一个叫socket的发擦的，而是tcp/ip,把tcp/ip协议看成一个协议的子系统，socket是一组API，难道不像facade模式吗？
我不是听了你上面的话而感到气愤，也不是我固执，主要是你没有给我很有力的理由