Socket套接字与TCP实现框架

文章目录

Socket套接字
TCP通信实现框架
- 三次握手在框架中的体现
网络的体系结构 (Network Architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）
实现 (implementation) 是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题

Socket套接字

latex 复制代码

┌─────────────────┐
│   应用程序      │
├─────────────────┤
│  Socket API     │ ← 网络编程接口
├─────────────────┤
│   传输层(TCP/UDP) │
├─────────────────┤
│   网络层(IP)     │
├─────────────────┤
│   链路层/物理层  │
└─────────────────┘

套接字属于一种特殊的文件描述符
UNIX域套接字用于进程间通信

Scoket概念

定义：应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，是一组API
作用：网络通信的端点，包含IP地址 + 端口号 + 协议三元组
- IP地址：标识计算机
- 端口号：标识计算机当中的进程
- 协议：指定数据传输的方式
本质：特殊的文件描述符，可以通过文件I/O函数（read/write）操作

常见的网络编程接口

Berkeley Socket：UNIX/Linux标准，POSIX规范
Windows Socket (Winsock)：Windows平台的socket实现
TLI (Transport Layer Interface)：AT&T UNIX的传输层接口

Socket地址结构

通用地址结构（用于类型转换）

c 复制代码

#include <sys/socket.h>

// 通用地址结构体（所有专用结构体都要转换为这个类型）
struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;    // 地址族：AF_XXX
    char        sa_data[14];  // 地址数据
};

AF_UNIX：使用本地域套接字的地址结构，用于本地通信
AF_INET：使用IPv4的通信地址结构
AF_INET6：使用IPv6的通信地址结构

IPv4专用地址结构（最常用）

c 复制代码

#include <netinet/in.h>

// IPv4地址结构体
struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family;   // 地址族：AF_INET
    in_port_t      sin_port;     // 端口号（网络字节序）
    struct in_addr sin_addr;     // IPv4地址
};

// IPv4地址（32位）
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;       // IPv4地址（网络字节序）
};

IPv6专用地址结构

c 复制代码

#include <netinet/in.h>

// IPv6地址结构体
struct sockaddr_in6 {
    sa_family_t     sin6_family;   // 地址族：AF_INET6
    in_port_t       sin6_port;     // 端口号（网络字节序）
    uint32_t        sin6_flowinfo; // IPv6流信息
    struct in6_addr sin6_addr;     // IPv6地址
    uint32_t        sin6_scope_id; // 作用域ID
};

// IPv6地址（128位）
struct in6_addr {
    unsigned char   s6_addr[16];   // IPv6地址
};

套接字类型

三种主要类型

类型	常量	协议	特点	适用场景
流式套接字	`SOCK_STREAM`	TCP	可靠、面向连接、字节流	文件传输、HTTP、SSH
数据报套接字	`SOCK_DGRAM`	UDP	不可靠、无连接、数据报	DNS、音视频流、实时游戏
原始套接字	`SOCK_RAW`	直接IP层	直接操作底层协议	网络工具开发（ping/traceroute）

选择原则

c 复制代码

// TCP套接字（嵌入式服务器常用）
int tcp_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

// UDP套接字（嵌入式传感器数据上报）
int udp_sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

// 原始套接字（网络诊断工具）
int raw_sock = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);

TCP通信实现框架

通信之前，客户端和服务器端先创建套接字
服务器端调用 bind，把端口号和本地 IP 地址填写到已创建的套接字中
服务器端调用 listen（收听），把套接字设置为被动方式，以便随时接受客户的服务请求。UDP 服务器不使用 listen 系统调用
服务器端调用 accept（接受），以便把远地客户进程发来的连接请求提取出来。UDP 服务器不使用 accept 系统调用
客户端进程调用 connect，以便和远地服务器建立连接
客户端和服务器在 TCP 连接上使用 write传送数据，使用 read接收数据
客户端或服务器通信结束，调用 close 释放连接和撤销套接字

三次握手在框架中的体现

latex 复制代码

客户端               服务器端
  │                    │
  │      SYN=1         │
  ├───────────────────>│ socket() + bind() + listen()
  │                    │
  │   SYN=1, ACK=1     │
  │<───────────────────┤ accept()阻塞等待连接
  │                    │
  │      ACK=1         │
  ├───────────────────>│ accept()返回，连接建立
  │                    │
  │     数据交换        │
  │<──────────────────>│