socket 编程之入门与提高

socket 编程原理 zz

第二章 socket 编程原理

2.1 问题的引入

 UNIX 系统的 I/O 命令集，是从 Maltics 和早期系统中的命令演变出来的，其模式为打开一读/写一关闭

（open-write-read- close）。在一个用户进程进行 I/O 操作时，它首先调用“打开”获得对指定文件或设备

的使用权，并返回称为文件描述符的整型数，以描述用户在打开的文件或设备上进行 I/O 操作的进程。然

后这个用户进程多次调用“读/写”以传输数据。当所有的传输操作完成后，用户进程关闭调用，通知操作系

统已经完成了对某对象的使用。

络应用编程界面──套接字（ socket）在网络软件中被广泛应用，至今已引进微机操作系统 DOS 和

Windows 系统中，成为开发网络应用软件的强有力工具，本章将要详细讨论这个问题。

2.2 套接字编程基本概念

 在开始使用套接字编程之前，首先必须建立以下概念。

2.2.1 网间进程通信

 进程通信的概念最初来源于单机系统。由于每个进程都在自己的地址范围内运行，为保证两个相互通

信的进程之间既互不干扰又协调一致工作，操作系统为进程通信提供了相应设施，如 UNIX BSD 中的管

道（pipe）、命名管道（named pipe）和软中断信号（signal），UNIX system V 的消息（message）、

共享存储区（shared memory）和信号量（semaphore)等，但都仅限于用在本机进程之间通信。网间进

程通信要解决的是不同主机进程间的相互通信问题（可把同机进程通信看作是其中的特例）。为此，首先

端口

 网络中可以被命名和寻址的通信端口，是操作系统可分配的一种资源。

 按照 OSI 七层协议的描述，传输层与网络层在功能上的最大区别是传输层提供进程通信能力。从这个

意义上讲，网络通信的最终地址就不仅仅是主机地址了，还包括可以描述进程的某种标识符。为此 ，

TCP/IP 协议提出了协议端口（protocol port，简称端口）的概念，用于标识通信的进程。

 端口是一种抽象的软件结构（包括一些数据结构和 I/O 缓冲区）。应用程序（即进程）通过系统调用

与某端口建立连接（binding）后，传输层传给该端口的数据都被相应进程所接收，相应进程发给传输层

的数据都通过该端口输出。在 TCP/IP 协议的实现中，端口操作类似于一般的 I/O 操作，进程获取一个端

口，相当于获取本地唯一的 I/O 文件，可以用一般的读写原语访问之。

 类似于文件描述符，每个端口都拥有一个叫端口号（port number）的整数型标识符，用于区别不同

接，即进程需要访问传输层服务时，向本地操作系统提出申请，操作系统返回一个本地唯一的端口号，进

程再通过合适的系统调用将自己与该端口号联系起来（绑扎）。TCP/IP 端口号的分配中综合了上述两种

方式。TCP/IP 将端口号分为两部分，少量的作为保留端口，以全局方式分配给服务进程。因此，每一个

标准服务器都拥有一个全局公认的端口（即周知口，well-known port），即使在不同机器上，其端口号也

相同。剩余的为自由端口，以本地方式进行分配。TCP 和 UDP 均规定，小于 256 的端口号才能作保留端

口。

地址

 网络通信中通信的两个进程分别在不同的机器上。在互连网络中，两台机器可能位于不同的网络，这

网络字节顺序

 不同的计算机存放多字节值的顺序不同，有的机器在起始地址存放低位字节（低价先存），有的存高

位字节（高价先存）。为保证数据的正确性，在网络协议中须指定网络字节顺序。 TCP/IP 协议使用 16 位

整数和 32 位整数的高价先存格式，它们均含在协议头文件中。

连接

 两个进程间的通信链路称为连接。连接在内部表现为一些缓冲区和一组协议机制，在外部表现出比无

连接高的可靠性。

半相关

 综上所述，网络中用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程：

 （协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号）

 这样一个五元组，叫做一个相关（association），即两个协议相同的半相关才能组合成一个合适的相

关，或完全指定组成一连接。

2.2.2 服务方式

 在网络分层结构中，各层之间是严格单向依赖的，各层次的分工和协作集中体现在相邻层之间的界面

上。“服务”是描述相邻层之间关系的抽象概念，即网络中各层向紧邻上层提供的一组操作。下层是服务提

供者，上层是请求服务的用户。服务的表现形式是原语（primitive），如系统调用或库函数。系统调用是

操作系统内核向网络应用程序或高层协议提供的服务原语。网络中的 n 层总要向 n+1 层提供比 n-1 层更完

备的服务，否则 n 层就没有存在的价值。

 在 OSI 的术语中，网络层及其以下各层又称为通信子网，只提供点到点通信，没有程序或进程的概念。



 面向连接服务是电话系统服务模式的抽象，即每一次完整的数据传输都要经过建立连接，使用连接，

终止连接的过程。在数据传输过程中，各数据分组不携带目的地址，而使用连接号（connect ID）。本质

上，连接是一个管道，收发数据不但顺序一致，而且内容相同。TCP 协议提供面向连接的虚电路。

 无连接服务是邮政系统服务的抽象，每个分组都携带完整的目的地址，各分组在系统中独立传送。 无

连接服务不能保证分组的先后顺序，不进行分组出错的恢复与重传，不保证传输的可靠性。 UDP 协议提

供无连接的数据报服务。

 下面给出这两种服务的类型及应用中的例子：





可靠的字节流

不可靠的连接

文件传输（FTP）

远程登录（Telnet）

数字话音



无连接

不可靠的数据报

有确认的数据报

请求－应答





 在网络传输中，两个连续报文在端－端通信中可能经过不同路径，这样到达目的地时的顺序可能会与

发送时不同。“顺序”是指接收数据顺序与发送数据顺序相同。TCP 协议提供这项服务。



差错控制

 保 证 应 用 程 序 接 收 的 数 据 无 差 错 的 一 种 机 制 。 检 查 差 错 的 方 法 一 般 是 采 用 检 验 “ 检 查 和

（Checksum）”的方法。而保证传送无差错的方法是双方采用确认应答技术。TCP 协议提供这项服务。



流控制

 在数据传输过程中控制数据传输速率的一种机制，以保证数据不被丢失。TCP 协议提供这项服务。





报文

 接收方要保存发送方的报文边界。UDP 协议提供报文服务。

全双工/半双工

 端－端间数据同时以两个方向/一个方向传送。

缓存/带外数据

 在字节流服务中，由于没有报文边界，用户进程在某一时刻可以读或写任意数量的字节。为保证传输

中的问题减到最小，应用程序编写者除非与现有服务互操作时要求带外数据外，最好不使用它。

2.2.3 客户/服务器模式

 在 TCP/IP 网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器模式（Client/Server

model），即客户向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。客户/服务器模式的建

立基于以下两点：首先，建立网络的起因是网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等，需要共享，从而

造就拥有众多资源的主机提供服务，资源较少的客户请求服务这一非对等作用。其次，网间进程通信完全

是异步的，相互通信的进程间既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区，因此需要一种机制为希望通信的

进程间建立联系，为二者的数据交换提供同步，这就是基于客户/ 服务器模式的 TCP/IP。

 客户/服务器模式在操作过程中采取的是主动请求方式：

 首先服务器方要先启动，并根据请求提供相应服务：

4. 返回第二步，等待另一客户请求。

5. 关闭服务器



 客户方：

1. 打开一通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口；

2. 向服务器发服务请求报文，等待并接收应答；继续提出请求......

3. 请求结束后关闭通信通道并终止。

 从上面所描述过程可知：

1. 客户与服务器进程的作用是非对称的，因此编码不同。

流式套接字（SOCK_STREAM）

 提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地发送，且按发送顺序接收。内设

流量控制，避免数据流超限；数据被看作是字节流，无长度限制。文件传送协议（FTP）即使用流式套接

字。

数据报式套接字（SOCK_DGRAM）

 提供了一个无连接服务。数据包以独立包形式被发送，不提供无错保证，数据可能丢失或重复，并且

 为了更好地说明套接字编程原理，下面给出几个基本套接字系统调用说明。

2.3.1 创建套接字──socket()

 应用程序在使用套接字前，首先必须拥有一个套接字，系统调用 socket()向应用程序提供创建套接字

的手段，其调用格式如下：

 该调用要接收三个参数：af、type、protocol。参数 af 指定通信发生的区域，UNIX 系统支持的地址族

有：AF_UNIX、AF_INET、 AF_NS 等，而 DOS、WINDOWS 中仅支持 AF_INET，它是网际网区域。因

此，地址族与协议族相同。参数 type 描述要建立的套接字的类型。参数 protocol 说明该套接字使用的特

定协议，如果调用者不希望特别指定使用的协议，则置为 0，使用默认的连接模式。根据这三个参数建立

一个套接字，并将相应的资源分配给它，同时返回一个整型套接字号。因此，socket()系统调用实际上指

int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

 参数 s 是由 socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符(套接字号)。参数 name 是赋给套接字 s

的本地地址（名字），其长度可变，结构随通信域的不同而不同。namelen 表明了 name 的长度。

 如果没有错误发生，bind()返回 0。否则返回值 SOCKET_ERROR。

 地址在建立套接字通信过程中起着重要作用，作为一个网络应用程序设计者对套接字地址结构必须有

明确认识。例如，UNIX BSD 有一组描述套接字地址的数据结构，其中使用 TCP/IP 协议的地址结构为：

struct sockaddr_in{

 u_short sin_port; /*16 位端口号，网络字节顺序*/

 struct in_addr sin_addr; /*32 位 IP 地址，网络字节顺序*/

}