Socket套接字

Socket 是一个编程接口（网络编程接口），是一种特殊的文件描述符（write/read）。Socket 并不仅限于 TCP/IP。
Socket 独立于具体协议的编程接口，这个接口位于 TCP/IP 四层模型的应用层与传输层之间。

Socket的类型

• 流式套接字（SOCK_STREAM）：
  • 面向字节流，针对于传输层协议为 TCP 协议的网络应用。
• 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：
  • 面向数据报，针对于传输层协议为 UDP 协议的网络应用。
• 原始套接字（SOCK_RAW）：
  • 直接跳过传输层。

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基于 TCP 的套接字编程流程

任何网络应用都会有通信双方：

• Send 发送端
• Recv 接收端

TCP 网络应用（C/S 模型）（长连接）：

• Client 客户端（TCP）
• Server 服务端（TCP）

任何的网络应用：

• 传输层的协议（TCP/UDP）+ 端口 + IP 地址
• 网络地址：任意一方都需要有一个网络地址（IP+端口）

TCP 网络应用执行过程

1. 建立连接：三次握手
2. 发送/接收数据：
   • 发送数据：write/send/sendto
   • 接收数据：read/recv/recvfrom
3. 关闭连接：四次挥手

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TCP-Server 服务端编程流程

1. 建立套接字：socket()

#include <sys/types.h>  
#include <sys/socket.h>  

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

• 描述：申请指定类型和协议的套接字。
• 参数：
  • domain：协议簇（如 AF_INET IPv4, AF_INET6 IPv6）。
  • type：套接字类型（如 SOCK_STREAM TCP, SOCK_DGRAM UDP）。
  • protocol：具体协议（通常为 0）。
• 返回值：成功返回套接字描述符，失败返回 -1。

2. 绑定网络地址：bind()

#include <sys/types.h>  
#include <sys/socket.h>  

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

• 描述：将套接字绑定到网络地址。
• 参数：
  • sockfd：套接字描述符。
  • addr：网络地址结构体（如 struct sockaddr_in）。
  • addrlen：地址结构体长度。
• 地址结构示例：

  struct sockaddr_in sock_info;  
  sock_info.sin_family = AF_INET;          // IPv4  
  sock_info.sin_port = htons(6666);        // 端口  
  sock_info.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.31.1"); // IP

• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

3. 监听连接：listen()

#include <sys/types.h>  
#include <sys/socket.h>  

int listen(int sockfd, int backlog);

• 描述：设置套接字进入监听模式。
• 参数：
  • sockfd：套接字描述符。
  • backlog：最大等待连接队列长度。
• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

4. 接受客户端连接：accept()

#include <sys/types.h>  
#include <sys/socket.h>  

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

• 描述：等待客户端连接（完成三次握手）。
• 参数：
  • sockfd：监听套接字描述符。
  • addr：存储客户端地址的结构体。
  • addrlen：地址结构体长度指针。
• 返回值：成功返回通信套接字描述符，失败返回 -1。

5. 数据传输：send() 和 recv()

#include <sys/types.h>  
#include <sys/socket.h>  

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

• 描述：向套接字写入数据。
• 参数：
  • sockfd：通信套接字描述符。
  • buf：待发送数据指针。
  • len：数据长度。
  • flags：标志位（通常为 0）。
• 返回值：成功返回实际发送字节数，失败返回 -1。

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

• 描述：从套接字读取数据。
• 参数：同 send()。
• 返回值：成功返回实际接收字节数，失败返回 -1。

6. 关闭套接字：shutdown() 或 close()

#include <sys/socket.h>  

int shutdown(int sockfd, int how);

• 描述：关闭套接字连接（触发四次挥手）。
• 参数：
  • sockfd：套接字描述符。
  • how：关闭方式（SHUT_RD, SHUT_WR, SHUT_RDWR）。

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TCP-Client 客户端编程流程

1. 建立套接字：socket()

同服务端。

2. 绑定地址（可选）

通常不绑定，由系统分配。

3. 发起连接请求：connect()

#include <sys/types.h>  
#include <sys/socket.h>  

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

• 描述：向目标地址发起连接请求。
• 参数：
  • sockfd：套接字描述符。
  • addr：目标服务器地址结构体。
  • addrlen：地址结构体长度。
• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

4. 数据传输：send() 和 recv()

同服务端。

5. 关闭套接字：close()

同服务端。

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基于 UDP 的套接字编程流程

UDP 是面向无连接的传输层协议：

• 网络环境较好时效率高，较差时可能丢包。
• 适用于实时应用（需在应用层增加可靠性控制）。

UDP Recver（接收端）

1. 创建套接字：socket()（类型为 SOCK_DGRAM）。
2. 绑定地址：bind()（指定接收端口）。
3. 接收数据：recvfrom()

   ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,  
                    struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

   • 参数：
     • src_addr：存储发送方地址的结构体（可为 NULL）。
     • addrlen：地址结构体长度指针。
4. 关闭套接字：close()。

UDP Sender（发送端）

1. 创建套接字：socket()（类型为 SOCK_DGRAM）。
2. 发送数据：sendto()

   ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,  
                  const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

   • 参数：
     • dest_addr：目标地址结构体。
     • addrlen：地址结构体长度。
3. 关闭套接字：close()。

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网络通信协议

协议是通信双方约定的规则：

示例 1：字符分隔

• 用特殊字符标记开始/结束（如 STX/ETX）。
• 数据为明文，长度不限。

示例 2：结构化数据包

struct package {  
    int number;         // 数据包序号  
    enum { CMD, MSG, IMG } type; // 数据类型  
    int size;           // 数据实际大小  
    char buffer[1024];  // 数据内容  
};

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作业

1. TCP 封装：将 TCP 操作封装成一个类。
2. UDP 文件传输：实现 UDP 发送端和接收端，支持发送文件。