網(wǎng)絡(luò)編程_第2講Socket網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ).ppt

1、第2講 Socket網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ),套接字網(wǎng)絡(luò)編程接口的產(chǎn)生與發(fā)展過程 套接字編程的基本概念 套接字的特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合、使用的數(shù)據(jù)類型 面向連接的套接字編程 套接字的工作過程、系統(tǒng)調(diào)用、編程實(shí)例 借助實(shí)例分析進(jìn)程的阻塞問題和對(duì)策 無連接的套接字編程 無連接套接字編程的兩種模式（C/S和對(duì)等） 數(shù)據(jù)報(bào)套接字的對(duì)等模式編程實(shí)例,2.1 套接字網(wǎng)絡(luò)編程接口的產(chǎn)生與發(fā)展,2.1.1 問題的提出 應(yīng)用程序與協(xié)議軟件進(jìn)行交互時(shí)須說明許多細(xì)節(jié): 是服務(wù)器還是客戶機(jī)，主動(dòng)還是被動(dòng)通信？ 發(fā)送方需說明發(fā)送的數(shù)據(jù)； 接收方需說明接收的數(shù)據(jù)如何存放。 站在應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的角度，應(yīng)用程序如何方便地使用協(xié)議棧軟件進(jìn)行通信呢？

2、 如果能在應(yīng)用程序與協(xié)議棧軟件之間提供一個(gè)軟件接口，就可以方便客戶與服務(wù)器軟件的編程。 UNIX最早將TCP/IP協(xié)議簇集成到內(nèi)核中，UNIX的開發(fā)者提出并實(shí)現(xiàn)了套接字應(yīng)用編程接口。,套接字應(yīng)用程序編程接口：是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行通信時(shí)所使用的接口，即應(yīng)用程序與協(xié)議棧軟件之間的接口，簡(jiǎn)稱套接字編程接口(Socket API)。 定義了應(yīng)用程序與協(xié)議棧軟件進(jìn)行交互時(shí)可以使用的一組操作，決定了應(yīng)用程序使用協(xié)議棧的方式、應(yīng)用程序所能實(shí)現(xiàn)的功能、以及開發(fā)具有這些功能的程序的難度。 套接字編程接口給出了應(yīng)用程序能夠調(diào)用的一組過程，以及這些過程所需的參數(shù)，每個(gè)獨(dú)立的過程完成一個(gè)與協(xié)議棧軟件交互的

3、基本操作（如：建立連接、接收數(shù)據(jù)、釋放鏈接）。,2.1.2 套接字編程接口的起源與應(yīng)用 加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)了一個(gè)包括TCP/IP協(xié)議簇的BSD UNIX，并迅速得到推廣，套接字編程接口是這個(gè)操作系統(tǒng)一部分。 TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)并沒有定義應(yīng)用程序用來與該協(xié)議進(jìn)行交互的應(yīng)用程序編程接口，只規(guī)定了應(yīng)該提供的一般操作，并允許各個(gè)操作系統(tǒng)去定義用來實(shí)現(xiàn)這些操作的具體API。 一個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)可能只是建議某個(gè)操作在應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)是需要的，而由應(yīng)用程序編程接口來定義具體的函數(shù)名和每個(gè)參數(shù)的類型。,盡管協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)允許操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者開發(fā)自己的應(yīng)用程序編程接口，但由于BSD UNIX的廣泛使用，后來的許多操作系統(tǒng)

4、及編程語言都選擇了對(duì)套接字編程接口的支持。 由于這個(gè)套接字規(guī)范最早是由Berkeley大學(xué)開發(fā)的，一般將它稱為Berkeley Sockets規(guī)范。 Berkeley Sockets規(guī)范規(guī)定了一系列與套接字使用有關(guān)的庫函數(shù)，為在UNIX操作系統(tǒng)下不同計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用程序進(jìn)程之間，使用TCP/IP協(xié)議簇進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信提供了一套應(yīng)用程序編程接口。,2.1.3 套接字編程接口的兩種實(shí)現(xiàn)方式 采用兩種實(shí)現(xiàn)套接字編程接口的方式： 在操作系統(tǒng)的內(nèi)核中增加相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)； 通過開發(fā)操作系統(tǒng)之外的函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)。 在BSD UNIX及起源于它的操作系統(tǒng)中，套接字函數(shù)是操作系統(tǒng)本身的功能調(diào)用，是操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分

5、。 其他操作系統(tǒng)供應(yīng)商為了不修改基本操作系統(tǒng)，開發(fā)了套接字庫（Socket Library）來提供套接字編程接口。 套接字庫中的每個(gè)過程具有與UNIX套接字函數(shù)相同的名字與參數(shù)，向沒有本機(jī)套接字的操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序提供套接字編程接口。,套接字庫與操作系統(tǒng)內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的套接字在語義上是相同的。 應(yīng)用程序調(diào)用套接字過程不必管它是由操作系統(tǒng)內(nèi)核過程提供的，還是由庫過程提供的。 這種方式提供了程序的可移植性：將程序從一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，程序的源代碼不需改動(dòng)，只要用新計(jì)算機(jī)上的套接字庫重新編譯即可。 套接字庫與操作系統(tǒng)直接提供的本機(jī)套接字編程接口在實(shí)現(xiàn)上是不同的。 套接字庫的過程需要鏈接到應(yīng)

6、用程序中； 并駐留于應(yīng)用程序地址空間； 調(diào)用時(shí)控制從應(yīng)用程序轉(zhuǎn)向庫程序，并進(jìn)一步調(diào)用一個(gè)或多個(gè)底層操作系統(tǒng)的功能調(diào)用。,2.2 套接字編程的基本概念,圖2.1 電插座與電話插座的作用,2.2.1 什么是套接字（SOCKET）,套接字是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)上應(yīng)用進(jìn)程之間進(jìn)行雙向通信的端點(diǎn)的抽象。 一個(gè)套接字就是網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)程通信的一端，提供了應(yīng)用層進(jìn)程利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧交換數(shù)據(jù)的機(jī)制。,圖2.2 應(yīng)用進(jìn)程、套接口、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧及操作系統(tǒng)的關(guān)系,兩個(gè)應(yīng)用進(jìn)程只要分別連接到自己的套接字，就可以通過網(wǎng)絡(luò)痛惜，不用去管復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸過程。,從多個(gè)層面來理解套接字這個(gè)概念的內(nèi)涵 從所處的地位來講，套接字上聯(lián)應(yīng)

7、用進(jìn)程，下聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，是應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行通信的接口，是應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧交互的接口. 從實(shí)現(xiàn)的角度來講，非常復(fù)雜。套接字是一個(gè)復(fù)雜的軟件機(jī)構(gòu)，包含了一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含許多選項(xiàng)，由操作系統(tǒng)內(nèi)核管理。 從使用的角度來講，非常簡(jiǎn)單。對(duì)套接字的操作形成了一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的編程接口（API）,提供了一組系統(tǒng)調(diào)用或庫函數(shù)，可以用于構(gòu)造套接字、安裝綁定套接字、連接套接字、通過套接字交換數(shù)據(jù)、關(guān)閉套接字，實(shí)現(xiàn)各種分布式應(yīng)用。 套接字編程接口是一套操作套接字的編程接口函數(shù)，套接字是它的操作對(duì)象。,2.2.2 套接字的特點(diǎn) 1通信域 通信域：是一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的范圍，在這個(gè)范圍中，所有的計(jì)算機(jī)使用同

8、一種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議棧。 套接字存在于通信域中。 套接字通常只和同一域中的套接字交換數(shù)據(jù)。 如果數(shù)據(jù)交換要穿越域的邊界，就一定要執(zhí)行某種解釋程序。 這里，僅僅針對(duì)Internet域，并且使用Internet協(xié)議族（即TCP/IP協(xié)議族）來通信。,2套接字具有三種類型 每一個(gè)正被使用的套接字都有它確定的類型。 只有相同類型的套接字才能相互通信。 (1) 數(shù)據(jù)報(bào)套接字（Datagram SOCKET） 數(shù)據(jù)報(bào)套接字提供無連接的、不保證可靠的、獨(dú)立的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)。 在Internet通信域中，數(shù)據(jù)報(bào)套接字使用UDP數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議形成的進(jìn)程間通路，具有UDP協(xié)議為上層所提供的服務(wù)的所有特點(diǎn)。 一般用于

9、輕載通信，并具有多播通信的能力。,圖2.3 在Internet通信域中，數(shù)據(jù)報(bào)套接字基于UDP協(xié)議,(2) 流式套接字（Stream SOCKET） 流式套接字提供雙向的、有序的、無重復(fù)的、無記錄邊界的可靠的數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)。 在Internet通信域中，流式套接字使用TCP協(xié)議形成的進(jìn)程間通路，具有TCP協(xié)議為上層所提供的服務(wù)的所有特點(diǎn)。 在使用流式套接字傳輸數(shù)據(jù)之前，必須在數(shù)據(jù)的發(fā)送端和接收端之間建立連接。 一般用于交換大批量的數(shù)據(jù)時(shí)，或者要求數(shù)據(jù)按照發(fā)送的順序無重復(fù)的到達(dá)目的地的時(shí)候。,圖2.4 在Internet通信域中，流式套接字基于TCP協(xié)議,(3) 原始式套接字（RAW SOCKE

10、T） 原始式套接字允許對(duì)較低層次的協(xié)議(如IP、ICMP)直接訪問，用于檢驗(yàn)新協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。 原始套接字保存了數(shù)據(jù)包中的完整IP頭； 前面兩種套接字只能收到用戶數(shù)據(jù)； 因此可以通過原始套接字對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。,2.2.3 套接字的應(yīng)用場(chǎng)合 并非所有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程都要使用套接字。 套接字適合開發(fā)具有如下特點(diǎn)的新網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。 不管是采用對(duì)等模式或者客戶機(jī)/服務(wù)器模式，通信雙方的應(yīng)用程序都需要開發(fā)。 雙方所交換數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和交換數(shù)據(jù)的順序有特定的要求，不符合現(xiàn)在成熟的應(yīng)用層協(xié)議，甚至需要自己去開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議，自己設(shè)計(jì)最適合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信息交換規(guī)程。 套接字編程層次較低，自由度較大。,2.3 面向連接的套接字

11、編程,2.3.1 套接字的工作過程 面向連接的通信方式基于TCP，必須借助流式套接字來編程，應(yīng)用服務(wù)器分為服務(wù)器端和客戶端，雙方是不對(duì)稱的，需要分別編程。 雙方首先要?jiǎng)?chuàng)建并安裝套接字，做好準(zhǔn)備； 建立連接，采用三次握手的方式； 數(shù)據(jù)交換，稱為客戶機(jī)與服務(wù)器的會(huì)話期，會(huì)話的內(nèi)容必須遵守一定的格式和順序； 釋放連接。 下面介紹面向連接的服務(wù)器和客戶端的編程步驟.,2.3.2 套接字編程接口的系統(tǒng)調(diào)用 1創(chuàng)建套接字SOCKET() 創(chuàng)建一個(gè)套接字，并返回一個(gè)整型描述符： int SOCKET( int Protofamily, int Type, int Protocol); 入口參數(shù)： Proto

12、family：套接字使用的協(xié)議簇，一般為PF_INET，表示TCP/IP協(xié)議簇，PF_DECnet表示DEC協(xié)議。 type：套接字類型，SOCK_STREMA表示創(chuàng)建面向連接的流傳輸?shù)牧魇教捉幼?；SOCK_DGRAMA表示創(chuàng)建無連接的面向消息的數(shù)據(jù)報(bào)套接字。 protocol：套接字使用的傳輸層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一般為IPPROTO_IP，internet通信域中一般取值為0。,返回值： 套接字創(chuàng)建成功，返回一個(gè)int型的整數(shù)，即所創(chuàng)建套接字的描述符，指向被維護(hù)在操作系統(tǒng)內(nèi)核里的socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 套接字創(chuàng)建出錯(cuò)，返回1，表示出錯(cuò)類型的代碼保存在全局變量Errno中。 舉例： int sockf

13、d=SOCKET(PF_INTE,SOCK_STREAM,0) 創(chuàng)建套接字時(shí)，為其分配了內(nèi)存，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于指定連接的種類和使用的協(xié)議，同時(shí)還有關(guān)于連接隊(duì)列操作的選項(xiàng)結(jié)構(gòu)字段，創(chuàng)建時(shí)設(shè)置為默認(rèn)值。,2綁定套接字到指定的地址 BIND() int BIND( int Sockfd, struct sockaddr* My_addr, int Addrlen); 入口參數(shù)： Sockfd：是由SOCKET()系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建的套接字描述符，要將其綁定到指定的網(wǎng)絡(luò)地址上； My_addr：指向sockaddr結(jié)構(gòu)變量的指針，所指結(jié)構(gòu)中保存著特定的網(wǎng)絡(luò)地址，要將套接字綁定到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址上；

14、Addlen：是sockaddr結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。,返回值： 如果返回0，表示已經(jīng)綁定成功。 如果返回1，表示有錯(cuò)，出錯(cuò)碼在Errno中。 舉例： Struct sockaddr_in my_addr; if( BIND(sockfd, (sockaddr*) 入口參數(shù)： Sockfd：套接字描述符，通過它來監(jiān)聽來自客戶機(jī)端的連接請(qǐng)求。 Queuesize：等待連接隊(duì)列的最大長(zhǎng)度，最大可設(shè)為20，一般設(shè)為510。 返回值： 函數(shù)正確執(zhí)行則返回0，出錯(cuò)則返回-1。 舉例：LISTEN(Sockfe,10)；,舉例：LISTEN(Sockfe, 10);,圖2.6 監(jiān)聽套接字使用緩沖區(qū)接納多個(gè)客戶端的連

15、接請(qǐng)求,4接收連接請(qǐng)求ACCEPT() int ACCEPT(int Sockfd, struct sockaddr* Addr, int* addrlen); 入口參數(shù)： Sockfd：監(jiān)聽客戶端連接請(qǐng)求的套接字描述符。 Addr：sockaddr結(jié)構(gòu)變量的指針，是一個(gè)出口參數(shù)，當(dāng)調(diào)用執(zhí)行完畢時(shí)，變量中放置的是所接收客戶機(jī)端的網(wǎng)絡(luò)地址。 Addrlen：整型變量指針，也是一個(gè)出口參數(shù)，調(diào)用時(shí)初始設(shè)置為Addr結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，不能為0或null，調(diào)用執(zhí)行完畢時(shí)，返回所接收的客戶機(jī)端網(wǎng)絡(luò)地址長(zhǎng)度。,返回值： 如果執(zhí)行正確，返回一個(gè)新的套接字描述符，這個(gè)套接字已經(jīng)與客戶機(jī)端建立了連接，并專用于此后與客

16、戶機(jī)端交換數(shù)據(jù)。 如果出錯(cuò)，返回1。 說明： 調(diào)用從監(jiān)聽套接字的等待隊(duì)列中，取出第一個(gè)連接請(qǐng)求，創(chuàng)建一個(gè)新的套接字，并通過這個(gè)新套接字向客戶機(jī)端發(fā)送連接應(yīng)答，從而與客戶機(jī)端建立連接，系統(tǒng)為這個(gè)新的套接字分配一個(gè)服務(wù)器端的自由端口號(hào)，這個(gè)套接字用于后續(xù)與客戶機(jī)端交換數(shù)據(jù)，稱為響應(yīng)套接字。,舉例： int clientfd; / 定義響應(yīng)套接字描述符變量 int addrler=sizeof(sockaddr); / 獲得套接字地址結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。 struct sockaddr_in cltsockaddr; / 定義用于返回客戶端地址的結(jié)構(gòu)。 clientfd=ACCEPT(listenfd, (s

17、ockaddr* )( / 接收客戶連接請(qǐng)求,5請(qǐng)求建立連接CONNECT() int CONNECT( int Sockfd, struct sockaddr* Service_addr, int Addrlen); 入口參數(shù)： Sockfd：客戶機(jī)端的請(qǐng)求套接字； Service_addr：存放服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)地址； Addrlen：sockaddr結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。 返回值： 連接成功，返回0； 連接未成功，返回-1。,說明： 用于客戶端請(qǐng)求連接到服務(wù)器； 對(duì)于流式套接字，使用TCP協(xié)議，服務(wù)器若接受連接請(qǐng)求，即把它放入監(jiān)聽套接字的緩沖區(qū)隊(duì)列，并調(diào)用ACCEPT（）來接收處理； 對(duì)于數(shù)據(jù)報(bào)套接字

18、，使用UDP協(xié)議，客戶機(jī)向同一服務(wù)器傳送多條信息時(shí)，允許客戶機(jī)使用CONNECT只指明服務(wù)器地址一次，而不必在每條信息中都指明目的地址。 舉例：if ( CONNECT(sockfd, (struct sockaddr*)( int RECV( int sockfd, char* buf, int len, int flags ); 入口參數(shù)： sockfd：用來發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的套接字描述符，可以是由SOCKET()創(chuàng)建的，也可以是ACCEPT()返回的； buf：用于發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)指針； len：發(fā)送或接收的字符數(shù)； flags：執(zhí)行本調(diào)用的方式，一般置為0.,返回值： 處理錯(cuò)誤，返

19、回-1； 如果正確，對(duì)于發(fā)送返回實(shí)際發(fā)送出去的字節(jié)數(shù)；對(duì)于接收返回實(shí)際讀入緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)。 說明： 和read、write一樣，必須用于已連接的套接字，無需調(diào)用者指明目的地參數(shù)。,8關(guān)閉套接字CLOSE() int CLOSE( int sockfd ); 入口參數(shù)： sockfd：要關(guān)閉的套接字描述符。 說明： 如果是面向連接的，CLOSE在關(guān)閉套接字前先終止連接； 關(guān)閉一個(gè)套接字意味著立即終止對(duì)它的使用，描述符被釋放，以防止應(yīng)用程序發(fā)送或接收更多的數(shù)據(jù)。,關(guān)于阻塞的問題,圖2.7 服務(wù)器進(jìn)程因調(diào)用ACCEPT()而被阻塞,2.3.4 進(jìn)程的阻塞問題和對(duì)策 1什么是阻塞 阻塞：是指一個(gè)進(jìn)程執(zhí)

20、行了一個(gè)函數(shù)或者系統(tǒng)調(diào)用，該函數(shù)由于某種原因不能立即完成，因而不能返回調(diào)用它的進(jìn)程，導(dǎo)致進(jìn)程受控于這個(gè)函數(shù)而處于等待的狀態(tài)，進(jìn)程的這種狀態(tài)稱為阻塞。,圖2.8 RECV()函數(shù)的兩種執(zhí)行方式,2能引起阻塞的套接字調(diào)用 在Berkeley套接字網(wǎng)絡(luò)編程接口的模型中，套接字的默認(rèn)行為是阻塞的，具體地說，在一定情況下，有多個(gè)操作套接字的系統(tǒng)調(diào)用會(huì)引起進(jìn)程阻塞。 （1）ACCEPT() （2）READ()、RECV()和READFORM() （3）WRITE()、SEND()和SENDTO() （4）CONNECT() （5）SELECT() （6）CLOSESOCKET(),圖2.9 采用阻塞工作模

21、式的服務(wù)器不能很好地為多個(gè)客戶服務(wù),3阻塞工作模式帶來的問題 采用阻塞工作模式的單進(jìn)程服務(wù)器，不能很好地同時(shí)為多個(gè)客戶服務(wù)的。圖2.9是一個(gè)例子。,2.4 無連接的套接字編程,2.4.1 無連接的套接字編程的兩種模式 使用數(shù)據(jù)報(bào)套接字開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，既可以采用客戶/服務(wù)器模式，也可以采用對(duì)等模式。,圖2.10 對(duì)等模式的數(shù)據(jù)報(bào)套接字的編程模型,1對(duì)等模式,對(duì)等模式無連接套接字特點(diǎn)： 應(yīng)用雙方是對(duì)等的：要經(jīng)過4個(gè)階段，創(chuàng)建套接字、綁定套接字、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、關(guān)閉套接字; 雙方都必須確切知道對(duì)方的網(wǎng)絡(luò)地址，并在各自的進(jìn)程中將約定好的網(wǎng)絡(luò)地址綁定到自己的套接字上； 每一次傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，在sendto和recvfrom系統(tǒng)調(diào)用中必須包含對(duì)方的網(wǎng)絡(luò)地址信息； 進(jìn)程也會(huì)因?yàn)榘l(fā)送或接收數(shù)據(jù)而發(fā)生阻塞。,2客戶/服務(wù)器模式,圖2.11 C/S模式的數(shù)據(jù)報(bào)套接字的編程模型,C/S模式無連接套接字特點(diǎn)： 應(yīng)用雙方不是對(duì)等的：服務(wù)器要先啟動(dòng)，被動(dòng)