TCP/IP的Socket编程

1. TCP/IP、UDP的基本概念

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即传输控制协议/网间协议，他是一个工业标准的协议集，它是为广域网设计的。其中包含了很多其他的协议，不过以TCP和IP协议为代表。UDP(User Data Protocl)，即用户数据报协议，是与TCP相对应的协议，它属于TCP/IP协议族中的一个。

TCP/IP进行数据传输主要分为两个过程：建立连接过程和数据传输过程。

• TCP/IP协议通过三次握手建立一个可靠的连接，步骤：
  • 第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
  • 第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
  • 第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
• 数据传输过程：发送端发送数据，然后进入等待ACK确定信号状态，随后接收端接收到数据，发送ACK确认信号，发送端接收到ACK后才发送下一组数据，同时发送端有一个定时器，定时时间到了没有接收到ACK，就认为发送失败了，进行重新发送。因为发送端发送完数据后处于等待状态，因此为了提高效率，引入“滑动窗口”的概念，就是发送的时候一次发送多组数据，相当于窗口的大小，然后当接收到第一个ACK后，就将窗口向后移动一个数据，就形成了滑动窗口的情况。

下表显示了协议间的关系：

2. Socket的基本概念

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就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在了Scoket接口的后面，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

3. Socket的使用

举个简单的例子先：你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提取电话，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，这个生活场景的例子就解释了TCP/IP的工作原理和流程，其具体的流程图如下所示：

服务器端工作流程：

• 使用WSAStartup()函数检查系统协议栈安装情况
• 使用socket()函数创建服务器端通信套接口
• 使用bind()函数将创建的套接口与服务器地址绑定
• 使用listen()函数使服务器套接口做好接收连接请求准备
• 使用accept()接收来自客户端由connect()函数发出的连接请求
• 根据连接请求建立链接后，使用send()还念书发送数据，或者使用recv()函数接收数据
• 使用closesocket()函数关闭套接口（可以先用shutdown()函数吸纳关闭读写通道）
• 最后调用WSACleanup()函数结束Winsock Sockets API

 

 

客户端工作流程

• 使用WSAStartup()函数检查系统协议栈安装情况
• 使用socket()函数创建客户端套接口
• 使用connect()函数发出与服务器建立连接的请求（调用前可以不用bind()端口号，由系统自动完成）
• 连接建立后使用send()函数发送数据，或使用recv()函数接收数据
• 是哟个closesocket()函数关闭套接口
• 最后掉压迫能够WSACleanup()函数，结束Winsock Sockets API

4. Socket的send和recv函数

socket的发送和接收缓存区是两个相互独立的缓存区。socket的send和recv函数分为阻塞模式的和非阻塞模式的，在定义socket的时候，默认设置为了阻塞模式，而后如果想要改变为非阻塞模式，只需使用ioctlsocket函数进行设置即可。非阻塞模式一旦调用即刻返回，因此如果传输数据较为稀疏，则会经常返回失败信息，为此一般使用循环来接收数据。而常用的方式是阻塞模式，send函数没啥问题，而recv函数一般配合select函数，可以做到虽然recv是阻塞的，但是合起来的效果是阻塞一段时间的方式。下面给出send和recv函数的工作流程。

1. 阻塞模式下的send和recv函数

int send( SOCKET s,const char FAR *buf,int len,int flags );

不论是客户还是服务器应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据。

客户程序一般用send函数向服务器发送请求，而服务器则通常用send函数来向客户程序发送应答。

该函数的第一个参数指定发送端套接字描述符；

第二个参数指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；

第三个参数指明实际要发送的数据的字节数；

第四个参数一般置0。

这里只描述同步Socket的send函数的执行流程。当调用该函数时，send先比较待发送数据的长度len和套接字s的发送缓冲的长度，如果len大于s的发送缓冲区的长度，该函数返回SOCKET_ERROR；如果len小于或者等于s的发送缓冲区的长度，那么send先检查协议 是否正在发送s的发送缓冲中的数据，如果是就等待协议把数据发送完，如果协议还没有开始发送s的发送缓冲中的数据或者s的发送缓冲中没有数据，那么 send就比较s的发送缓冲区的剩余空间和len，如果len大于剩余空间大小send就一直等待协议把s的发送缓冲中的数据发送完，如果len小于剩余 空间大小send就仅仅把buf中的数据copy到剩余空间里（注意并不是send把s的发送缓冲中的数据传到连接的另一端的，而是协议传的，send仅仅是把buf中的数据copy到s的发送缓冲区的剩余空间里）。如果send函数copy数据成功，就返回实际copy的字节数，如果send在copy数据时出现错误，那么send就返回SOCKET_ERROR；如果send在等待协议传送数据时网络断开的话，那么send函数也返回SOCKET_ERROR。

要注意send函数把buf中的数据成功copy到s的发送缓冲的剩余空间里后它就返回了，但是此时这些数据并不一定马上被传到连接的另一端。

注意：在Unix系统下，如果send在等待协议传送数据时网络断开的话，调用send的进程会接收到一个SIGPIPE信号，进程对该信号的默认处理是进程终止。

int recv( SOCKET s,char FAR *buf,int len,int flags);

不论是客户还是服务器应用程序都用recv函数从TCP连接的另一端接收数据。

该函数的第一个参数指定接收端套接字描述符；

第二个参数指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放recv函数接收到的数据；

第三个参数指明buf的长度；

第四个参数一般置0。

这里只描述同步Socket的recv函数的执行流程。当应用程序调用recv函数时，recv先等待s的发送缓冲 中的数据被协议传送完毕，如果协议在传送s的发送缓冲中的数据时出现网络错误，那么recv函数返回SOCKET_ERROR，如果s的发送缓冲中没有数 据或者数据被协议成功发送完毕后，recv先检查套接字s的接收缓冲区，如果s接收缓冲区中没有数据或者协议正在接收数据，那么recv就一直等待，只到 协议把数据接收完毕。当协议把数据接收完毕，recv函数就把s的接收缓冲中的数据copy到buf中（注意协议接收到的数据可能大于buf的长度，所以 在这种情况下要调用几次recv函数才能把s的接收缓冲中的数据copy完。recv函数仅仅是copy数据，真正的接收数据是协议来完成的），recv函数返回其实际copy的字节数。如果recv在copy时出错，那么它返回SOCKET_ERROR；如果recv函数在等待协议接收数据时网络中断了，那么它返回0。

2. 非阻塞模式

非阻塞模式就是一旦调用，如果不满足copy条件，则函数马上返回失败信息。

5. Winsock编程流程（以服务器端为例）

1. 使用WSAStartup()装载检查TCP/IP协议

2. 创建套接字，有三种类型的套接字供选择：流式套接字（用于TCP），数据报套接字（UDP）和原始套接字（底层协议）

3. 将创建好的套接字和IP地址以及端口进行绑定

4. 使用getsockopt获得套接口的参数，使用setsockopt设置套接口的参数（主要设置套接口的收发缓存大小），使用ioctlsocket

设置阻塞还是非阻塞的模式（这里的阻塞和非阻塞模式指的是API函数是否调用完马上返回）

5. 进行通信，在通信的部分，windows socket给我们提供了五种I/O模型用于收发通信：（他们都可以和阻塞或非阻塞函数一起

使用）

a. select模型，常用的模型，以select函数为核心，可以监控套接口是否有数据收发。它是同步模型。

b. WSAAsyncSelect模型，异步I/O模型，利用windows的消息机制实现异步接收，需要有窗口接收消息，只有接收数据是

异步的。

c. WSAEventSelect 模型，异步I/O模型，通过事件触发来实现异步接收，它不需要接收窗口。

d. 重叠模型：比较完美的模型。

e. 完成端口：最为复杂的I/O模型，当需要一个进程管理很多的套接口的时候，很适合使用这种模型。

6. 使用closesocket()函数关闭套接口的收发。

7. 使用WSACleanup()函数卸载TCP/IP协议。