网络编程之套接字-赛事直播-光影游戏公会

网络编程之套接字

一、套接字（Socket）的基本概念

套接字是网络编程的基础，是网络上运行的程序之间进行数据交换的一种方式。它可以看作是一个端点，用于发送和接收数据，使得运行在不同机器上的应用程序能够交换信息，从而实现网络功能。套接字的概念最早由Unix系统的开发者引入，并逐渐成为网络编程中不可或缺的一部分。

套接字主要由系统提供，用于网络通信的技术，它是基于TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。套接字工作在网络的传输层，它利用了TCP/IP协议族中的TCP或UDP协议来传送数据。根据使用的传输层协议，套接字可以分为以下几类：

流套接字（SOCK_STREAM）：使用TCP协议，提供了一个可靠的、面向连接的通信机制。它可以顺序地传输数据，并保证数据的完整性和顺序性。在TCP/IP协议中，流套接字是最常用的套接字类型之一。数据报套接字（SOCK_DGRAM）：使用UDP协议，提供了一种无连接、不可靠的通信机制。数据以独立的数据包形式传输，不保证数据的顺序和完整性。由于UDP协议具有传输效率高、报文小等特点，数据报套接字在某些应用场景下具有优势。原始套接字：用于自定义传输层协议，可以读写内核没有处理的IP协议数据。这种套接字类型通常用于需要直接操作网络数据包的高级网络编程任务。二、套接字在网络编程中的应用

在网络编程中，套接字主要用于客户端与服务器之间的通信。大部分网络相关的应用程序都使用到了套接字技术。套接字的使用步骤通常包括以下几个阶段：

创建套接字：使用套接字API创建一个套接字对象。这个对象通常由编程语言官方提供的标准API来创建。

绑定IP地址和端口号：将套接字与一个IP地址和端口号绑定。这样，网络上的其他程序就可以通过这个IP地址和端口号来与该程序进行通信。

建立连接（对于流套接字）：

服务器端需要监听连接请求。这通常通过调用套接字对象的监听方法来实现，该方法会阻塞等待客户端的连接请求。客户端需要与服务器建立连接。这通常通过调用套接字对象的连接方法来实现，该方法会尝试与服务器建立连接，并返回一个表示连接成功的套接字对象。

发送和接收数据：使用套接字对象发送或接收数据。这通常通过调用套接字对象的发送或接收方法来实现。

关闭连接：数据传输完毕后，关闭套接字连接。这通常通过调用套接字对象的关闭方法来实现

三、套接字类型及协议设置

套接字类型及协议设置是网络通信中的重要概念，它们决定了数据如何在网络中传输。以下是对套接字类型及协议设置的详细解释：

3.1、套接字类型

流套接字（SOCK_STREAM）：

基于TCP协议，提供面向连接、可靠的数据传输服务。保证数据无差错、无重复发送，并按顺序接收。常用于需要可靠传输的场景，如网页浏览、文件传输等。

数据包套接字（SOCK_DGRAM）：

基于UDP协议，提供无连接的数据传输服务。不保证数据传输的可靠性，数据可能在传输过程中丢失或出现重复，且无法保证顺序接收。常用于对实时性要求较高、但对可靠性要求不高的场景，如视频流、实时通信等。

原始套接字（SOCK_RAW）：

允许直接读写内核未处理的IP数据包。可以访问其他协议发送数据，如ICMP、IGMP等。常用于开发新的通信协议或访问现有协议的更多功能。

顺序分组套接字（SOCK_SEQPACKET）：

类似于流套接字，但保留了记录边界。传输的数据以完整的消息为单位，确保数据按顺序接收。常用于需要可靠传输且需要保留消息边界的场景。3.2、协议设置

在创建套接字时，除了指定套接字类型外，还需要设置协议族（Protocol Family）和具体的协议（Protocol）。

协议族：

PF_INET：表示使用IPv4协议族。PF_INET6：表示使用IPv6协议族。

具体协议：

对于流套接字（SOCK_STREAM），通常使用TCP协议（IPPROTO_TCP）。对于数据包套接字（SOCK_DGRAM），通常使用UDP协议（IPPROTO_UDP）。对于原始套接字（SOCK_RAW），可以指定具体的IP协议，如ICMP（IPPROTO_ICMP）、IGMP（IPPROTO_IGMP）等。3.3、设置方法

在Linux系统中，可以使用socket()函数来创建套接字，并指定协议族、套接字类型和具体协议。函数原型如下：

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

domain：指定协议族，如PF_INET或PF_INET6。type：指定套接字类型，如SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM或SOCK_RAW。protocol：指定具体协议，通常设置为0以使用默认协议。但在某些情况下，可以指定特定的协议值。3.4、示例代码

以下是一个使用socket()函数创建TCP套接字的示例代码：

#include

int main() {

int sockfd;

struct sockaddr_in servaddr;

// 创建TCP套接字

sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

if (sockfd < 0) {

perror("socket creation failed");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 设置服务器地址和端口

memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));

servaddr.sin_family = AF_INET;

servaddr.sin_port = htons(8080);

inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);

// 连接到服务器（此处为客户端示例）

if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {

perror("connection failed");

close(sockfd);

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 发送数据（省略）

// 接收数据（省略）

// 关闭套接字

close(sockfd);

return 0;

}

在以上示例中，我们创建了一个TCP套接字，并设置了服务器地址和端口，然后尝试连接到服务器。在实际应用中，还需要添加发送和接收数据的代码，并根据需要进行错误处理和资源释放。

四、套接字地址族和数据序列

套接字（Socket）是网络编程中的一个核心概念，它提供了端到端的通信服务。套接字地址族和数据序列是套接字编程中的两个重要方面。

4.1套接字地址族

套接字地址族（Address Family）决定了套接字所使用的网络协议类型。常见的地址族包括：

IPv4地址族（AF_INET）：这是用于IPv4网络通信的地址族。它使用32位来表示IP地址，并且端口号占用16位。在IPv4地址族中，地址信息通常通过sockaddr_in结构体来表示，该结构体包含地址族、端口号和IPv4地址等成员。IPv6地址族（AF_INET6）：这是用于IPv6网络通信的地址族。IPv6使用128位来表示IP地址，比IPv4提供了更大的地址空间。地址族的选择取决于网络通信所使用的IP版本。例如，如果网络通信使用的是IPv4，则应该选择AF_INET地址族；如果使用的是IPv6，则应该选择AF_INET6地址族。

4.2数据序列

在套接字编程中，数据序列（Data Sequence）指的是数据在传输过程中的排列顺序和格式。数据序列对于确保数据的正确传输和解析至关重要。

面向连接的套接字（SOCK_STREAM）：这种套接字类型通常用于TCP协议，它提供了可靠的、按序传递的、基于字节的面向连接的数据传输方式。在这种传输方式中，数据被看作是一个连续的字节流，没有明确的消息边界。因此，在接收数据时，需要按照接收到的顺序来重组数据。面向消息的套接字（SOCK_DGRAM）：这种套接字类型通常用于UDP协议，它提供了不可靠的、不按序传递的、以数据的高速传输为目的的传输方式。在这种传输方式中，每个数据单元都被看作是一个独立的消息，具有明确的数据边界。因此，在接收数据时，可以根据消息边界来区分不同的数据单元。此外，在网络编程中，还需要注意字节序（Endianness）的问题。不同的计算机架构可能使用不同的字节序来存储数据。为了确保数据在传输过程中的正确解析，通常需要在发送和接收端进行字节序的转换。网络字节序（Network Byte Order）通常被定义为大端序（Big Endian），即高位字节存放在内存的低地址端。

总的来说，套接字地址族和数据序列是套接字编程中的两个重要方面。正确地选择地址族和设置数据序列可以确保网络通信的正确性和可靠性。

五、Windows下套接字构建流程

在Windows操作系统下，套接字的构建流程及使用的函数涉及网络通信编程的基础知识。以下将详细介绍Windows下套接字的构建流程、使用的函数以及相应的程序示例。

5.1、构建流程及使用的函数

初始化Winsock库

在使用套接字之前，必须初始化Winsock库。这通常通过调用WSAStartup()函数来实现，该函数加载Winsock DLL，并准备Winsock环境以供使用。

创建套接字

使用socket()函数创建一个套接字。这个函数需要指定地址族（如AF_INET表示IPv4）、套接字类型（如SOCK_STREAM表示TCP流式套接字，SOCK_DGRAM表示UDP数据报套接字）以及协议（通常为0，表示选择默认协议）。

绑定地址和端口

使用bind()函数将套接字绑定到本地的IP地址和端口号上。这样，其他主机就可以通过这个地址和端口号与你的应用程序进行通信。

监听连接（仅服务器端）

对于服务器端的套接字，使用listen()函数将其设置为监听模式，等待客户端的连接请求。

接受连接（服务器端）或发起连接（客户端）

服务器端使用accept()函数接受客户端的连接请求，并返回一个新的套接字用于与该客户端通信。客户端使用connect()函数向服务器发起连接请求。

数据通信

使用send()函数发送数据，使用recv()函数接收数据。

关闭套接字

通信结束后，使用closesocket()函数关闭套接字，释放资源。

清理Winsock库

在程序结束时，使用WSACleanup()函数卸载Winsock库，释放相关资源。5.2、程序示例

以下是一个简单的Windows套接字编程示例，包括服务器端和客户端的代码。

服务器端代码示例

#include

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

int main() {

WORD wVersionRequested;

WSADATA wsaData;

int err;

wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);

err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);

if (err != 0) {

printf("加载套接字库出错\n");

return 0;

}

SOCKET ServerSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

if (ServerSocket == INVALID_SOCKET) {

printf("创建套接字失败\n");

WSACleanup();

return 0;

}

SOCKADDR_IN addr;

addr.sin_family = AF_INET;

addr.sin_port = htons(6688);

addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

err = bind(ServerSocket, (SOCKADDR*)&addr, sizeof(SOCKADDR));

if (err == SOCKET_ERROR) {

printf("绑定失败\n");

closesocket(ServerSocket);

WSACleanup();

return 0;

}

err = listen(ServerSocket, 5);

if (err == SOCKET_ERROR) {

printf("监听失败\n");

closesocket(ServerSocket);

WSACleanup();

return 0;

}

SOCKADDR_IN addr_out;

int len = sizeof(SOCKADDR);

SOCKET accSock = accept(ServerSocket, (SOCKADDR*)&addr_out, &len);

if (accSock == INVALID_SOCKET) {

printf("接受连接失败\n");

closesocket(ServerSocket);

WSACleanup();

return 0;

}

char s[256] = {0};

recv(accSock, s, 256, 0);

printf("Client Data: %s\n", s);

closesocket(accSock);

closesocket(ServerSocket);

WSACleanup();

return 0;

}

客户端代码示例

#include

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

int main() {

WORD wVersionRequested;

WSADATA wsaData;

int err;

wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);

err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);

if (err != 0) {

printf("加载套接字库出错\n");

return 0;

}

SOCKET ServerSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

if (ServerSocket == INVALID_SOCKET) {

printf("创建套接字失败\n");

WSACleanup();

return 0;

}

SOCKADDR_IN socksin;

socksin.sin_family = AF_INET;

socksin.sin_port = htons(6688);

socksin.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

err = connect(ServerSocket, (SOCKADDR*)&socksin, sizeof(socksin));

if (err == SOCKET_ERROR) {

printf("连接失败\n");

closesocket(ServerSocket);

WSACleanup();

return 0;

}

printf("成功连接到服务器\n");

char* ps = "客户端数据来了\n";

send(ServerSocket, ps, strlen(ps), 0);

closesocket(ServerSocket);

WSACleanup();

return 0;

}

5.3、注意事项

确保库链接：在编译时，需要确保链接了ws2_32.lib库，这通常通过编译器设置或在源代码中使用#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")来实现。错误处理：在实际应用中，需要添加更多的错误处理代码，以处理可能发生的各种异常情况。并发处理：对于服务器应用程序，通常需要处理多个并发连接。这可以通过多线程、多进程或使用异步I/O来实现。在上面的示例中，服务器只能处理一个客户端连接，如果需要处理多个连接，需要在accept()之后创建一个新的线程或进程来处理每个连接。资源管理：在程序结束时，需要确保关闭所有打开的套接字，并调用WSACleanup()函数来卸载Winsock库，释放相关资源。通过以上步骤和示例代码，你可以在Windows操作系统下构建基本的套接字通信程序。如果需要处理更复杂的网络通信场景，可以进一步学习多线程编程、异步I/O、套接字选项等高级内容。

七、Linux下套接字构建流程

在Linux下，套接字的构建流程涉及多个步骤，包括创建套接字、绑定地址和端口、监听连接（对于服务器而言）、接受连接（对于服务器而言）或发起连接（对于客户端而言）、数据传输以及关闭套接字。以下是详细的构建流程、使用的函数以及程序示例。

7.1、构建流程

创建套接字：使用socket()函数在内核中创建一个套接字结构体。绑定地址和端口：使用bind()函数将套接字与特定的IP地址和端口号绑定。监听连接（服务器）：使用listen()函数使服务器套接字进入监听状态，准备接受客户端的连接请求。接受连接（服务器）或发起连接（客户端）：

服务器使用accept()函数接受客户端的连接请求，并返回一个新的套接字描述符用于与客户端通信。客户端使用connect()函数发起连接请求，连接到服务器。数据传输：

使用send()或sendto()函数发送数据。使用recv()或recvfrom()函数接收数据。关闭套接字：使用close()或shutdown()函数关闭套接字，释放资源。7.2、使用的函数

socket()：创建套接字。bind()：绑定地址和端口。listen()：监听连接（服务器）。accept()：接受连接（服务器）。connect()：发起连接（客户端）。send() / sendto()：发送数据。recv() / recvfrom()：接收数据。close() / shutdown()：关闭套接字。7.3、程序示例

TCP服务器示例

#include

int main(void) {

const char ip[] = "127.0.0.1";

const int port = 9006;

// 创建socket，使用IP协议(PF_INET)+TCP协议(SOCK_STREAM)

int fd_listen = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

// 绑定固定ip:port地址

struct sockaddr_in addr_server;

addr_server.sin_family = AF_INET;

addr_server.sin_port = htons(port);

addr_server.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);

bind(fd_listen, (struct sockaddr *)&addr_server, sizeof(addr_server));

// 监听socket

listen(fd_listen, 10);

// 接受客户端连接，并返回连接socket

struct sockaddr_in addr_client;

socklen_t len_client_addr = sizeof(addr_client);

int fd_conn = accept(fd_listen, (struct sockaddr *)&addr_client, &len_client_addr);

// 接收客户端数据

printf("start receiving data...\n");

char buf[4096];

while (1) {

memset(buf, '\0', sizeof(buf));

int ret = recv(fd_conn, buf, sizeof(buf) - 1, 0);

// recv返回0，表示客户端断开连接

if (ret == 0) {

printf("connection closed\n");

break;

}

// 打印接收的数据

printf("%s", buf);

}

// 关闭socket

close(fd_conn);

close(fd_listen);

return 0;

}

TCP客户端示例

#include

int main(void) {

const char ip[] = "127.0.0.1";

const int port = 9006;

// 创建socket，使用IP协议(PF_INET)+TCP协议(SOCK_STREAM)

int fd_conn = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

// 连接服务器

struct sockaddr_in addr_server;

addr_server.sin_family = AF_INET;

addr_server.sin_port = htons(port);

addr_server.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);

connect(fd_conn, (struct sockaddr *)&addr_server, sizeof(addr_server));

// 发送数据

const char message[] = "hello world!\n";

for (int i = 0; i < 10; i++) {

send(fd_conn, message, strlen(message), 0);

sleep(1);

}

// 关闭socket

close(fd_conn);

return 0;

}

UDP服务器示例

// 省略了部分代码，与TCP服务器类似，但使用SOCK_DGRAM类型，并使用recvfrom()接收数据

UDP客户端示例

// 省略了部分代码，与TCP客户端类似，但使用SOCK_DGRAM类型，并使用sendto()发送数据

请注意，以上示例代码仅用于演示套接字的构建流程和使用函数，并未包含完整的错误处理和资源释放逻辑。在实际应用中，需要添加适当的错误处理和资源释放代码，以确保程序的健壮性和稳定性。

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