Chap04

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骏互米裘
5 years ago
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1 Socket 编程介绍

2 Socket

3 Socket 网络编程按照操作系统 Windows 的 socket 编程 *nix 的 socket 编程按照编程语言使用C++ Java 的 socket 编程使用脚本语言的 socket 编程

4 Socket 的一些历史 Sockets 本来是 UNIX 操作系统下流行行的一种网络编程接口 (API), 在 4.2 BSD 中被首先引入的, 被称为 Berkeley Socket API Windows 网络应用程序编程接口Windows Sockets API 就是在 1991 年年根据 4.3 BSD 操作系统的 Berkeley Socket API 制定的

5 Windows sockets, 为 windows 环境下使用的一套网络编程机制 ( 或规范 ), 简称为 Winsock 在 Windows 操作系统下得到广泛应用的开放的支持多种协议的网络编程接口目前版本 Winsock 2, 由动态链接库 WSOCK32.DLL 提供支持 Windows 环境下网络编程事实上的标准

6 在 Winsock 规范中把 Winsock API 函数集分为与 BSD Socket( 用在 UNIX 中 ) 相兼容的基本函数网络数据信息检索函数和 Windows 专用扩展函数三类可以看出,Winsock 来源于 BSD Socket API, 但它又根据 Windows 操作系统的特点进行行了了扩充可认为是一种 BSD Sockets 的方言 Winsock 规范的核心内容是符合 Berkeley Socket 风格的库函数, 为了了使程序员能充分地利利用 Windows 消息驱动机制进行行编程, 也定义开发了了一组针对 Windows 的扩展库函数

7 Socket 的概念与工作原理理 Socket 可以看成是两个网络应用程序进行行通信时, 各自通信连接中的一个端点, 是一个逻辑上的概念通信时其中的一个网络应用程序将要传输的一段信息写入它所在主机的 Socket 中, 该 Socket 通过与网络接口卡 (Network Interface Cards, NIC) 相连的传输介质将这段信息发送到另外一台主机的 Socket 中, 使这段信息能传送到其他程序中是否类似 *nix 中的文件系统?

8 按 TCP/IP 机制, 网络分层管理理硬件层通信 : 主要由设备厂家完成网络 IP 层传输层 : 操作系统提供软件服务应用层软件 : 由各服务厂商提供, 如浏览器器 QQ 等用户自编的通信应用程序, 工作在传输层和应用层之间应用通信程序需要和工作在传输层之上的 socket 协议栈交换数据

9 Winsock 的一个工作原理理图

10 Socket 的基本工作原理理通过 socket 协议栈交换数据 : 通过 API 函数调用和操作, 如 send/write, receive/read 等用户每注册一个 socket,socket 协议栈自动为用户每一个 socket 分配两个缓冲区 : 接收缓冲区发送缓冲区

12 构建一个 Socket: 以接电话为例例类比电话进行行语音数据交换网络进行行数字数据交换

13 接听一个电话 (Socket) 的第一步 : 安装电话机 ( 初始化 Socket) #include <sys/socket.h> int socket(int domain, int type, int protocol) import socket s=socket.socket(socket.af_inet,socket.sock_stream)

14 socket() int socket(int domain, int type, int protocol) domain: domain family 协议族 PF_INET PF_INET6 PF_LOCAL PF_PACKET PF_IPX

15 socket() int socket(int domain, int type, int protocol) type: SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM, SOCK_RAW protocol: 最终采取的协议 : IPPROTO_TCP IPPROTO_UDP

16 Winsock 的启动与 socket 的建立第一步 :Winsock 头文件 #include <winsock2.h> #pragma comment(lib, WS2_32 )

17 Winsock 的启动与 socket 的建立第二步 : 先检测系统中有没有 winsock 的实现 WSAStartup() 本函数必须是应用程序或 DLL 调用的第一个 Windows Sockets 函数, 指明 Windows Sockets API 的版本号及获得特定 Windows Sockets 实现的细节应用程序或 DLL 只能在一次成功的 WSAStartup() 调用之后, 才能进一步调用其它的 Winsock API 函数 ( 如开始建立 socket)

18 WSAStartup 格式 int WSAStartup( WORD wversionrequested, LPWSADATA lpwsadata );

19 typedef struct WSAData{ WORD wversion; WORD whighversion; char szdescription[wsadescription_len+1]; char szsystemstatus[wsasys_status_len+1]; unsigned short imaxsockets; unsigned short imaxudpdg; char FAR * lpvendorinfo; } WSADATA,FAR *LPWSADATA;

20 WSAStartup() 的返回值 WSASYSNOTREADY: 在 Winsock 的头文件 Winsock 2.h 中, 该错误代码定义的数值为 10091, 它表明加载的 Winsock DLL 不不存在或底层的网络子系统无法使用 WSAVERNOTSUPPORTED: 该代码的数值为 10092, 所需的 Windows Sockets API 的版本未由特定的 Windows Sockets 实现提供如果由 wversion 返回的版本用户不不能接受, 则要调用 WSACleanup() 函数清除对 Winsock 的加载 WSAEINVAL: 该代码的数值为 10022, 说明应用程序指出的 Windows Sockets 版本不不能被该 Winsock DLL 的实现所支持 WSAEINPROGRESS: 该代码的数值为 10036, 说明一个阻塞的 Winsock 调用正在进行行中 WSAEPROCLIM: 该代码的数值为 10067, 说明已经达到了了 Windows Sockets 实现所支持的任务数量量的极限 WSAEFAULT: 该代码数值为 10014, 说明 lpwsadata 参数是一个无效的指针

21 Winsock 的启动与 socket 的建立第一步 :Winsock 头文件 #include <winsock2.h> pragma comment(lib, WS2_32 ) 第二步 : 先检测系统中有没有 winsock 的实现 WSAStartup() 第三步 :socket() 或 WSASocket(), 分别对应 winsock1 和 2 的实现

22 Winsock2 提供的扩展格式 SOCKET WSASocket( int af, int type, int protocol, LPWSAPROTOCOL_INFO lpprotocolinfo, Group g, int iflags );

23 三种不不同类型 (type) 的 Socket 流套接字 (SOCK_STREAM) 提供了了一种可靠的面向连接的双向数据传输服务被传输的数据看作是无记录边界的字节流在 TCP/IP 协议族中, 使用 TCP 协议来实现字节流的传输大批量量的数据, 或者对数据的传输有较高的要求时使用

24 数据报套接字 (SOCK_DGRAM) 无连接不不可靠的双向数据传输数据包以独立的包形式被发送, 保留留记录边界, 不不提供可靠性保证使用 UDP 协议等 ( 也支持其它的协议 ) 可用于出现差错可能性较小的网络, 或广播通信

25 原始套接字 (SOCK_RAW) 原始套接字可以读写内核没有处理理的 IP 数据包 ( 因为流套接字只能读取 TCP 协议的数据, 数据包套接字只能读取 UDP 协议的数据 ) 故若要访问其他协议发送数据必须使用原始套接字

26 构建一个 Socket: 以接电话为例例接听一个电话 (Socket) 的第二步 : 分配一个电话号码 ( 绑定 Socket 与地址 ) int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen) import socket HOST=?.?.?.? PORT= s=socket.socket(socket.af_inet,socket.sock_stream) s.bind(host,port)

27 bind() int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen) 用本地地址为套接字命名成功返回 0, 失败返回 -1 什什么情况需要调用 bind()?

28 构建一个 Socket: 以接电话为例例接听一个电话 (Socket) 的第三步 : 等候接听电话 (Socket 的 listen 方法 ) int listen(int sockfd, int backlog) import socket s=socket.socket(socket.af_inet,socket.sock_stream) s.bind((host,port)) s.listen(1)

29 listen() int listen(int sockfd, int backlog) 成功返回 0, 失败返回 -1 backlog: 用于在 TCP 层接收链接的缓冲池的最大个数, 当客户链接请求大于这个数, 则其它的未进入链接缓冲池的客户会自动重新链接, 直到超时 Winsock2 中对应函数为 listen()

30 构建一个 Socket: 以接电话为例例接听一个电话 (Socket) 的第四步 : 接听 (Socket 的 accept 方法 ) int accept(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen) import socket s.listen(1) conn,address=s.accept()

31 accept() int accept(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t* addrlen) 成功时返回 ( 客户端 socket 的 ) 文件描述符失败是返回 -1 [py] 返回 (conn, address), 分别为一个新的 socket 对象, 即对方 ( 客户端 ) 的 socket 对象, 和对方的地址 Winsock2 中对应函数为 WSAAccept()

32 构建一个 Socket: 以接电话为例例接听一个电话 (Socket) 的第五步 : 挂电话 int close(int sockfd) import socket s=socket.socket(socket.af_inet,socket.sock_stream) conn.close()

33 构建一个 Socket: 以接电话为例例总结上面我们构建了了以一个服务器器端 ( 接电话 ) 的 Socket 一般过程为 : 创建 socket bind socket listen to socket accept (data from) socket

34 构建一个 Socket: 以拨电话为例例拨打一个电话 (Socket): 初始化 Socket( 建立 Socket) 拨打电话 int connect(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen) c=socket.socket(socket.af_inet,socket.sock_stream) c.connect((host,port))

35 一个例例程

36 Hello world in socket programming

42 Socket 编程函数介绍 ( 补充 ) Winsock 中和 read/write 相对应函数 recv() / WSARecv() int recv(socket s, char FAR* buf, int len, int flags) recvfrom() / WSARecvFrom()

43 send() / WSASend() int send(socket s, const char FAR* buf, int len, int flags) sendto() / WSASendto()

46 Server Client

47 Socket 编程函数介绍 ( 补充 ) 字节序转换 htonl() 将主机的无符号长整型数本机顺序转换为网络字节顺序 (Host to Network Long), 用于 IP 地址 u_long PASCAL FAR htonl( u_long hostlong) hostlong 是主机字节顺序表达的 32 位数 htonl() 返回一个网络字节顺序的值

48 htons() 将主机的无符号短整型数转换成网络字节顺序 (Host to Network Short), 用于端口号 u_short PASCAL FAR htons( u_short hostshort); hostshort: 主机字节顺序表达的 16 位数 htons() 返回一个网络字节顺序的值

49 ntohl() 将一个无符号长整型数从网络字节顺序转换为主机字节顺序 (Network to Host Long), 用于 IP 地址 u_long PASCAL FAR ntohl( u_long netlong); netlong 是一个以网络字节顺序表达的 32 位数, ntohl() 返回一个以主机字节顺序表达的数

50 ntohs() 将一个无符号短整型数从网络字节顺序转换为主机字节顺序 (Network to Host Sort), 用于端口号 u_short PASCAL FAR ntohs( u_short netshort); netshort 是一个以网络字节顺序表达的 16 位数 ntohs() 返回一个以主机字节顺序表达的数

51 Socket 编程函数介绍 ( 补充 ) 格式转换 inet_addr() 将一个点间隔地址转换成一个 in_addr unsigned long PASCAL FAR inet_addr(const struct FAR* cp) cp: 一个以 Internet 标准. 间隔的字符串串

52 inet_ntoa() 将网络地址转换成. 点隔的字符串串格式 char FAR* PASCAL FAR inet_ntoa(struct in_addr in) in: 一个表示 Internet 主机地址的结构

53 获取与套接口相连的端地址 getpeername() int getpeername( SOCKET s, struct sockaddr * name, int * namelen); 获取一个套接口的本地名字 getsockname() int getsockname( SOCKET s, struct sockaddr * name, int * namelen);

54 总结 : 流套接字通用编程模型服务端 : 客户端 : 套接字的创建和关闭套接字创建和关闭绑定套接字到指定的 IP 地址和端口号设置套接字进入监听状态申请建立连接收发数据断开连接, 关闭接收连接请求收发数据

55 Socket ( ) s bi nd( ) s l i st en( ) TCP accept ( ) accept ( ) r ecv( ) / send( ) / cl osesocket ( ) Socket ( ) s Connect ( ) send( ) / r ecv( ) /

56 总结 : 数据报套接字通用编程模型服务端 : 创建套接字绑定 IP 地址和端口收发数据客户端 : 创建套接字收发数据关闭套接字关闭套接字

58 总结 : 常用的 socket 函数 socket() bind() listen() accept()* connect()* send()* sendto()* recv()* recvfrom()* shutdown() closesocket()*

59 htonl() htons() ntohl() ntohs() Inet_addr() Inet_ntoa() getpeername() getsocketname() IP IP getsocketopt() setsocketopt() ioctlsocket() select()* I/O

60 总结 : 网络编程中可能出现 / 需要考虑的问题 Socket 工作中的问题通信阻塞 : 发送量量超过发送缓冲区容量量, 或者接收不不及时导致接收缓冲区满数据到达通知 : 对于接收缓冲区, 由于数据到达是随机事件, 通信处理理方式 :1. 定期查询接收缓冲区 ;2. 有数据到达时, 通知用户处理理

61 网络异构特性所产生的问题字节序字的长度 : 不不同的系统中, 对于相同的数据类型可能用不不同的长度表示字节定界问题 : 不不同的平台上给结构 (struct) 或联合 (union) 打包的方式也是不不同的

62 通信模式的问题阻塞与非阻塞在网络编程中, 通信可以选择阻塞与非阻塞两种模式对于发送端, 若底层协议没有空间存放用户数据, 应用程序会选择进行行等待, 或者直接返回而不不等待在应用进程调用接收函数接收报文时, 如果是在阻塞模式下, 若没有到达的数据, 则调用将一直阻塞直到有数据到达或出错为止 UDP 协议不不同, 因为 UDP 没有发送缓冲, 所有 UDP 协议即使在阻塞模式下也不不会发生阻塞, 即没有真正的阻塞模式

63 阻塞与非阻塞 ( 续 ) 在连接建立阶段, 不不管是阻塞还是非阻塞模式, 发起连接请求的一方总是会使调用它的进程阻塞, 阻塞间隔最少等于到达服务器器的一次往返时间通信模式对应用程序性能有的影响非阻塞模式, 应用程序轮询耗费 CPU 阻塞模式, 应用程序 I/O 操作被阻塞

64 完

Chapter 5- 运输层 (5)-2017

Chapter 5- 运输层 (5)-2017 计算机网络运输层编程 (5) 陈旺虎 chenwh@nwnu.edu.cn Review TCP 协议格式 TCP 可靠传输为什么需要三次握手? A 发送一次确认的原因应对出现已失效的连接请求报文段的情况, 即防止已失效的连接请求报文段突然又传到了 B 例 1:A 发出连接请求, 但该请求丢失,A 重传连接请求, 到达 B, 则正常 ; 一. 认识 Socket 应用层程序流套接字接口