UNIX网络编程：Socket套接字编程基础

Socket（套接字）是网络通信的基石，是应用层与传输层之间的桥梁。它允许不同主机上的进程通过网络进行通信。以下是Socket编程的基础知识和核心概念。

1. Socket的基本概念

• Socket定义：

  • Socket是一种抽象的数据结构，用于描述IP地址和端口号的组合。
  • 它类似于一个文件描述符，允许程序通过网络发送和接收数据。

• Socket的作用：

  • 提供一个接口，使应用程序能够通过网络协议（如TCP/UDP）进行通信。
  • 隐藏了底层网络协议的复杂性。

2. Socket的类型

Socket根据通信协议和传输方式的不同，可以分为以下几种类型：

| 类型 | 描述 |
|----------------|--------------------------------------------------------------------------|
| 流式Socket（SOCKSTREAM） | 基于TCP协议，提供可靠的、面向连接的通信。 |
| 数据报Socket（SOCKDGRAM） | 基于UDP协议，提供无连接、不可靠的通信。 |
| 原始Socket（SOCK_RAW） | 允许直接访问底层协议（如IP、ICMP），通常用于网络工具或协议开发。 |

3. Socket编程的基本流程

Socket编程通常分为服务器端和客户端两部分。

服务器端流程

1. 创建Socket：

   • 使用socket()函数创建一个Socket。
   • 指定协议族（如AFINET表示IPv4）、Socket类型（如SOCKSTREAM）和协议（如TCP）。

2. 绑定地址：

   • 使用bind()函数将Socket绑定到一个IP地址和端口号。

3. 监听连接：

   • 使用listen()函数使Socket进入监听状态，等待客户端连接。

4. 接受连接：

   • 使用accept()函数接受客户端的连接请求，返回一个新的Socket用于通信。

5. 数据通信：

   • 使用recv()和send()函数接收和发送数据。

6. 关闭Socket：

   • 使用close()函数关闭Socket。

客户端流程

1. 创建Socket：

   • 与服务器端相同，使用socket()函数创建Socket。

2. 连接服务器：

   • 使用connect()函数连接到服务器的IP地址和端口号。

3. 数据通信：

   • 使用recv()和send()函数与服务器进行通信。

4. 关闭Socket：

   • 使用close()函数关闭Socket。

4. 示例代码

服务器端代码（TCP）

```c

include

include

include

include

include

define PORT 8080

define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
int serverfd, newsocket;
struct sockaddrin address;
int addrlen = sizeof(address);
char buffer[BUFFERSIZE] = {0};

// 创建Socket
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
    perror("socket failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 绑定地址
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(PORT);

if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
    perror("bind failed");
    close(server_fd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 监听连接
if (listen(server_fd, 3) < 0) {
    perror("listen failed");
    close(server_fd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 接受连接
if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
    perror("accept failed");
    close(server_fd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 接收数据
read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);
printf("Received: %s\n", buffer);

// 发送数据
char *response = "Hello from server";
send(new_socket, response, strlen(response), 0);

// 关闭Socket
close(new_socket);
close(server_fd);
return 0;

}
```

客户端代码（TCP）

```c

include

include

include

include

include

define PORT 8080

define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
int sock = 0;
struct sockaddrin servaddr;
char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};

// 创建Socket
if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
    perror("Socket creation error");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(PORT);

// 转换IP地址
if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
    perror("Invalid address/ Address not supported");
    close(sock);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 连接服务器
if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
    perror("Connection failed");
    close(sock);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 发送数据
char *message = "Hello from client";
send(sock, message, strlen(message), 0);

// 接收数据
read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);
printf("Received: %s\n", buffer);

// 关闭Socket
close(sock);
return 0;

}
```

5. 关键点

• Socket类型选择：

  • TCP（SOCK_STREAM）适用于需要可靠传输的场景（如文件传输、聊天应用）。
  • UDP（SOCK_DGRAM）适用于对实时性要求高、可以容忍数据丢失的场景（如视频流、DNS查询）。

• 错误处理：

  • 在实际开发中，需要对每个Socket函数进行错误处理，确保程序的健壮性。

• 多线程/多进程：

  • 服务器端通常需要使用多线程或多进程来处理多个客户端连接。

• 网络字节序：

  • 网络通信中，数据需要使用网络字节序（大端序），使用htons()、htonl()、ntohs()、ntohl()等函数进行转换。

6. 常见问题

• Socket编程中常见的错误有哪些？

  • 地址已被占用（bind失败）。
  • 连接被拒绝（connect失败）。
  • 发送或接收超时。

• 如何处理Socket编程中的阻塞问题？

  • 可以使用select()、poll()或epoll()等I/O多路复用技术。
  • 或者将Socket设置为非阻塞模式。

• Socket编程中如何保证数据的安全性？

  • 使用SSL/TLS协议（如OpenSSL库）对Socket进行加密。

通过以上内容，你可以初步掌握UNIX网络编程中Socket套接字编程的基础知识。实际开发中，还需要根据具体需求进行更深入的学习和实践。

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