Linux之本地Socket通信

一、Sokcet

學習路徑1:http://blog.csdn.net/u010073981/article/details/50734484
學習路徑2:https://www.cnblogs.com/cy568searchx/p/4211124.html
學習路徑3:https://www.cnblogs.com/yusenwu/p/4579167.html
為了防止資源丟失，整合如下:

socket起源於Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。Socket就是該模式的一個實現， socket即是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關閉）.
說白了Socket是應用層與TCP/IP協議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把復雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket接口后面，對用戶來說，一組簡單的接口就是全部，讓Socket去組織數據，以符合指定的協議。
注意：其實socket也沒有層的概念，它只是一個facade設計模式的應用，讓編程變的更簡單。是一個軟件抽象層。在網絡編程中，我們大量用的都是通過socket實現的。
使用套接字除了可以實現網絡間不同主機間的通信外，還可以實現同一主機的不同進程間的通信，且建立的通信是雙向的通信。socket進程通信與網絡通信使用的是統一套接口，只是地址結構與某些參數不同。

socket一詞的起源
在組網領域的首次使用是在1970年2月12日發布的文獻IETF RFC33中 發現的，撰寫者為Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據美國計算機歷史博物館的記載，Croker寫道：“命名空間的元素都可稱為套接字接口。一個套接字接口構成一個連接的一端，而一個連接可完 全由一對套接字接口規定。”計算機歷史博物館補充道：“這比BSD的套接字接口定義早了大約12年。”

其主要流程如下：

二、Sokcet API

學習路徑1:http://blog.csdn.net/rangf/article/details/8350113
學習路徑2：http://blog.csdn.net/gladyoucame/article/details/8768731
為防止資源丟失，整合如下：

一、sockaddr 結構: struct sockaddr是通用的套接字地址 是linux 網絡通信的地址結構體的一種，此數據結構用做bind、connect、recvfrom、sendto等函數的參數，指明地址信息。

定義如下：

struct sockaddr { unsigned short sa_family ; /* address family*/ Char sa_data[14] ; /*up to 14 bytes of direct address */ } ;

 

頭文件: Sys/socket.h

說明:
Sa_family : 是地址家族，也成作，協議族，一般都是”AF_XXX”的形式，常用的有

AF_INET  Arpa（TCP/IP） 網絡通信協議（IPV4）
AF_INET6  IPV6
AF_UNIX  UNIX 域協議（文件系統套接字）（或稱AF_LOCAL   ，Unix域socket） AF_ISO ISO標准協議 AF_NS 施樂網絡體統協議 AF_IPX Novell IPX 協議 AF_APPLETALK Appletalk DDS AF_ROUTE 路由套接字 AF_KEY 密鑰套接字

 

Sa_data: 是14字節的協議地址

二、struct socketaddr_in : struct sockaddr是通用的套接字地址，而struct sockaddr_in則是internet環境下套接字的地址形式，二者長度一樣，都是16個字節。二者是並列結構，指向sockaddr_in結構的指針也可以指向sockaddr。一般情況下，需要把sockaddr_in結構強制轉換成sockaddr結構再傳入系統調用函數中。

定義如下：
IPV4：

struct in_addr { in_addr_t s_addr; }; struct sockaddr_in { uint8_t sin_len; //無符號8位整型 sa_family_t sin_famliy; /*AF_INET*/ in_port_t sin_port; struct in_addr sin_addr; /*32位 IPv4 地址*/ char sin_zero[8]; /*unuse*/ };

 

IPV6:

struct in6_addr { unsigned char s6_addr[16]; /* IPv6 address */ }; #define SIN6_LEN struct sockaddr_in6 { uint8_t sin6_len; sa_family_t sin6_famliy; /* AF_INET6 */ in_port_t sin6_port; /* port number */ uint32_t sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 address */ uint32_t sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ };

 

struct sockaddr_in { short int sin_family; /* Address family */ unsigned short int sin_port; /* Port number */ struct in_addr sin_addr; /* Internet address */ unsigned char sin_zero[8]; /* Same size as struct sockaddr */ }; struct in_addr { unsigned long s_addr; }; typedef struct in_addr { union { struct{ unsigned char s_b1, s_b2, s_b3, s_b4; } S_un_b; struct { unsigned short s_w1, s_w2; } S_un_w; unsigned long S_addr; } S_un; } IN_ADDR; 

 

頭文件:
sys/types.h
sa_family_t和socklen_t 頭文件 sys/socket.h
in_addr_t、 in_port_t 頭文件 netinet/in.h

說明:
sin_family 指代協議族，在socket編程中只能是AF_INET
sin_port 存儲端口號（使用網絡字節順序）
sin_addr 存儲IP地址，使用in_addr這個數據結構
sin_zero 是為了讓sockaddr與sockaddr_in兩個數據結構保持大小相同而保留的空字節。
s_addr 按照網絡字節順序存儲IP地址

三、Struct socketaddr_un : 針對UNIX域套接字地址, struct sockaddr是通用的套接字地址，而struct sockaddr_un則是UNIX環境下套接字的地址形式，人們在使用這種方式時往往用的不是網絡套接字，而是一種稱為本地套接字的方式。這樣做可以避免為黑客留下后門。一般情況下，需要把sockaddr_un結構強制轉換成sockaddr結構再傳入系統調用函數中。

定義如下：

Unix域對應的是： 
 #define UNIX_PATH_MAX 108 struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */ char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ };

頭文件: sys/un.h :

說明:
sun_family 指代協議族，在socket編程中只能是AF_UNIX
sun_path 本地通信的路徑

四、socket()函數
sys/socket.h
int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函數對應於普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個文件描述字，而socket()用於創建一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣，后續的操作都有用到它，把它作為參數，通過它來進行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同參數值，以打開不同的文件。創建socket的時候，也可以指定不同的參數創建不同的socket描述符，socket函數的三個參數分別為：

1. domain：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
2. type：指定socket類型。常用的socket類型有:

SOCK_STREAM（常用）字節流套接字
SOCK_DGRAM 數據報套接字
SOCK_SEQPACKET　有序分組套接字
SOCK_RAW 原始套接字

3 protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，

IPPROTO_TCP TCP傳輸協議
IPPTOTO_UDP UDP傳輸協議
IPPROTO_SCTP STCP傳輸協議
IPPROTO_TIPC TIPC傳輸協議

4 返回值:socket描述符

注意：並不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type類型對應的默認協議。

當我們調用socket創建一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須調用bind()函數，否則就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。

五、bind()函數
sys/socket.h
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

正如上面所說bind()函數把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

參數說明:

• sockfd：即socket描述符，它是通過socket()函數創建了，唯一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。
• addr：一個const struct sockaddr*指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址創建socket時的地址協議族的不同而不同
• addrlen：對應的是地址的長度。
• 返回值:成功標志

通常服務器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的地址（如ip地址+端口號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

六、listen()函數
sys/socket.h
int listen(int sockfd, int backlog);

服務器端套接字創建完畢並賦予本地地址值后，需要進行監聽，等待客戶端連接並處理請求，監聽使用 listen 系統調用，接受客戶端連接使用系統的accept()函數調用

參數說明:

• sockfd：第一個參數即為要監聽的socket描述符
• backlog:第二個參數為相應socket可以排隊的最大連接個數,表示排隊連接隊列的長度（若有多個客戶端同時連接，則需要進行排隊）；

• 返回值:成功標志

  socket()函數創建的socket默認是一個主動類型的，listen函數將socket變為被動類型的，等待客戶的連接請求。

七、connect()函數
sys/socket.h
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

客戶端通過調用connect函數來建立與TCP服務器的連接。

參數說明:

• sockfd：第一個參數即為客戶端的socket描述字
• addr：當前客戶端的本地地址，是一個 struct sockaddr_un 類型的變量,在不同主機中是struct sockaddr_in 類型的變量,
• addrlen：表示本地地址的字節長度
• 返回值:成功標志

八、accept()函數
sys/socket.h
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之后，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之后就想TCP服務器發送了一個連接請求。TCP服務器監聽到這個請求之后，就會調用accept()函數取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網絡I/O操作了，即類同於普通文件的讀寫I/O操作。

參數說明:

• sockfd：第一個參數為服務器的socket描述符
• addr：，第二個參數為指向struct sockaddr *的指針，用於返回客戶端的協議地址
• addrlen：第三個參數為協議地址的長度
• 返回值:如果accpet成功，那么其返回值是由內核自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連接。

注意：accept的第一個參數為服務器的socket描述字，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱為監聽socket描述字；而accept函數返回的是已連接的socket描述字。一個服務器通常通常僅僅只創建一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命周期內一直存在。內核為每個由服務器進程接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描述字就被關閉。

九 、read()、write()函數
sys/socket.h
int read(int socket, char *buffer, size_t len);
int write(int socket, char *buffer, size_t len);

當然還有如下幾種格式的讀取和寫入：

#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags); ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags); ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen); ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen); ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags); ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

無論客戶端還是服務器，都要和對方進行數據上的交互。一個進程扮演客戶端的角色，另外一個進程扮演服務器的角色，兩個進程之間相互發送接收數據，這就是基於本地套接字的進程通信。
循環讀取客戶端發送的消息，當客戶端沒有發送數據時會阻塞直到有數據到來。如果想要多個連接並發處理，需要創建線程，將每個連接交給相應的線程並發處理。接收到數據后，進行相應的處理，將結果返回給客戶端。

參數說明:

• socket：如果是服務端則是accpet()函數的返回值，客戶端是connect()函數中的第一個參數
• buffer：寫入或者讀取的數據
• len：寫入或者讀取的數據的大小

 

read函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的字節數，如果返回的值是0表示已經讀到文件的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網絡連接出了問題。
write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回-1，並設置errno變量。 在網絡程序中，當我們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是全部的數據。2)返回的值小於0，此時出現了 錯誤。我們要根據錯誤類型來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示網絡連接出現了問題(對方已經關閉了連接)。

十、close()函數
unistd.h
int close(int fd);

在服務器與客戶端建立連接之后，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。

參數說明:

• fd:客戶端connect()函數的第一個參數,服務端accept()的返回值
• 返回值:成功標志

close一個TCP socket的缺省行為時把該socket標記為以關閉，然后立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個參數。

注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接請求。

三、socket中TCP的三次握手建立連接

我們知道tcp建立連接要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下：

• 客戶端向服務器發送一個SYN J
• 服務器向客戶端響應一個SYN K，並對SYN J進行確認ACK J+1
• 客戶端再想服務器發一個確認ACK K+1

只有就完了三次握手，但是這個三次握手發生在socket的那幾個函數中呢？請看下圖：

從圖中可以看出，當客戶端調用connect時，觸發了連接請求，向服務器發送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態；服務器監聽到連接請求，即收到SYN J包，調用accept函 數接收請求向客戶端發送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到服務器的SYN K ，ACK J+1之后，這時connect返回，並對SYN K進行確認；服務器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，連接建立。

四、socket中TCP的四次握手釋放連接

圖解:

大致流程:

• 某個應用進程首先調用close主動關閉連接，這時TCP發送一個FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也作為文件結束符傳遞給應用進程，因為FIN的接收意味着應用進程在相應的連接上再也接收不到額外數據
• 段時間之后，接收到文件結束符的應用進程調用close關閉它的socket。這導致它的TCP也發送一個FIN N；
• 接收到這個FIN的源發送端TCP對它進行確認。
  這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。

五、Example：

Client:
ClientSocket.h

#ifndef CLIENT_SOCKET_H #define CLIENT_SOCKET_H #include <sys/socket.h> #include <sys/un.h> #include <string.h> #include <stdint.h> #define SOCKET_PATH "clientSocket@com" class ClientSocket{ public: ClientSocket(); virtual ~ClientSocket(); int requestConnectService(); int read(); int write(); private: int fd; }; #endifClientSokcet.cpp

#include "ClientSocket.h" ClientSocket::ClientSocket():fd(-1){ } virtual ClientSocket::~ClientSocket(){ } int ClientSocket::requestConnectService(){ int result=-1; struct sockaddr_un server_sockaddr; fd= socket(AF_UNIX,SOCK_SEQPACKET,0); if(fd < 0) { return -1; } server_sockaddr.sun_family=AF_UNIX; server_sockaddr.sun_path[0] = 0; strcpy(server_sockaddr.sun_path+1, SOCKET_PATH); socklen_t len_t=sizeof(server_sockaddr.sun_family) + sizeof(BLUETOOTH_LE_SCOKET_PATH); result=connect(fd,( struct sockaddr * )&server_sockaddr,len_t); if(result<0){ close(fd); return -1; } return fd; } int ClientSocket::read(char* buf,unsigned int size){ int ret = -1; ret = write(fd,buf,size); if(ret<0){ return -1; } return ret; } int ClientSocket::write(char* buf,unsigned int size){ int ret = -1; ret = write(fd,buf,size); if(ret<0){ return -1; } return ret; }

Service:
ServicSokcet.h

#ifndef SERVICE_SOCKET_H #define SERVICE_SOCKET_H #include <sys/socket.h> #include <sys/un.h> #include <string.h> #include <stdint.h> #define SOCKET_PATH "clientSocket@com" #define LISTEN_MAX_SOCKET_NUM 20 class ServiceSocket{ public: ServiceSocket(); virtual ServiceSocket(); int createService(); int read(); int write(); private: int client_socket; }; #endif

ServiceSocket.cpp

#include "ServiceSocket.h" ServiceSocket::ServiceSocket():client_socket(-1){ } virtual ServiceSocket::ServiceSocket(){ } int ServiceSocket::createService(){ int serverFd = -1; struct sockaddr_un serv_addr; struct sockaddr_un client_addr; int client_addr_len = sizeof(struct sockaddr_un); memset(&client_addr,0x00,sizeof(client_addr)); char cmd[100] = "\0"; serverFd = socket(AF_UNIX,SOCK_SEQPACKET,0); if(serverFd < 0) { return -1; } memset(&serv_addr,0x00,sizeof(serv_addr)); serv_addr.sun_family = AF_UNIX; serv_addr.sun_path[0] = 0; strcpy(serv_addr.sun_path+1,SOCKET_PATH); socklen_t addrlen = sizeof(serv_addr.sun_family) + sizeof(SOCKET_PATH); if(bind(serverFd,(struct sockaddr*)&serv_addr,addrlen) < 0) { close(serverFd); return -1; } if(listen(serverFd,LISTEN_MAX_SOCKET_NUM) < 0) { close(serverFd); return -1; } int flags = 0; //獲取文件的flags fcntl(serverFd, F_GETFL, &flags); //增加文件的某個flags，比如文件是阻塞的，想設置成非阻塞: fcntl(serverFd, F_SETFL, O_NONBLOCK | flags); client_socket = accept(serverFd,(struct sockaddr*)&client_addr,(socklen_t*)&client_addr_len); if(client_socket > 0){ int flags = 0; fcntl(client_socket, F_GETFL,flags); fcntl(client_socket, F_SETFL, O_NONBLOCK | flags); return client_socket; } return -1; } int ServiceSocket::read(char* buf,unsigned int size){ int ret = -1; ret = write(client_socket,buf,size); if(ret<0){ return -1; } return ret; } int ServiceSocket::write(char* buf,unsigned int size){ int ret = -1; ret = write(client_socket,buf,size); if(ret<0){ return -1; } return ret; } gitHub源碼下載