Socket

iFaithFreedom

@Author : Hale Lv
@Created Time : 2019-08-29 21:26:32
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Socket

socket： 套接字，通信技术就是两台联网的计算机之间交换数据的技术。
    原意是插座，是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。 通过socket，计算机可接收、可发送数据    
    典型应用：web服务器和浏览器：浏览器获取用户输入的URL，向服务器发起请求，服务器分析接收到的URL，将对应的网页内容返回给浏览器，浏览器再经过解析和渲染，将文字、图片、视频元素呈现给用户
    为了表示和区分已经打开的文件，Linux给每个文件分配一个ID整数，被称为：文件描述符File Descriptor如：    
    0： 输入文件 stdin，键盘
    1:    输出文件 stdout ，显示器
        网络连接也是一个文件，也有文件描述符
            socket() 创建网络连接，打开一个网络文件，返回值即文件描述符。有文件描述符，即可使用普通的文件操作函数来传输数据，如：
                read() ：读取从远程计算机传来的数据
                write()：向远程计算机写入数据

    Windows 系统中的socket 
        Windows：文件句柄        
        Liunx ： 文件描述符

套接字的类型，socket的类型

    有很多如：DARPA Internet 地址： Internet套接字、 本地节点的路径名：Unix套接字，CCITT X.25地址：X.25套接字等。
    Internet 套接字：最常用、具有代表性
    Internet套接字的数据传输方式：
        1. 流格式套接字 SOCK_STREAM
            流格式套接字：Stream Sockets 也叫"面向连接的套接字"，使用SOCK_STREAM 表示
            SOCK_STREAM： 是一种可靠、双向的通信流数据。可准确无误到达另一台计算机，可损坏或丢失、可重新发送
            SOCK_STREAM 的特征：
                1. 数据在传输过程中不会消失
                2. 数据是按照顺序传输的
                3. 数据的发送和接收不是同步的。也成 不存在数据边界
                使用TCP协议 The Transmission Control Protocol，传输控制协议，TCP控制数据按照顺序到达并且没有错误
                IP Internet Protocol 网络协议，控制数据如何从源头到达目的地，即路由
        2. 数据报格式套接字 SOCK_DGRAM
            数据报格式套接字 Datagram Sockets 也叫 无连接的套接字，使用SOCK_DGRAM表示
                只管传输数据，不做数据校验，如损坏或丢失，不补救，无法重传。
            SOCK_DGRAM 的特征：
                1. 强调快速传输而非传输顺序
                2. 传输的数据肯跟丢失或损坏
                3. 限制每次传输的数据大小
                4. 数据的发送和接收是同步的，存在数据边界
            SCOK_DGRAM：是一种不可靠、不按传序传递的、以追求速度为目的的套接字
                使用UDP协议 User Datagram Protocol 用户数据报协议




面向连接和无连接的套接字
    流格式套接字Stream Sockets： 面向连接的套接字，基于TCP协议
    数据报格式套接字 Datagram Sockets： 无连接的套接字，基于UDP协议
        无连接的套接字
            每个数据包可选择不同的路径
            每个数据包之间是独立的
        面向连接的套接字
            路径是由路由器维护的，所有路由器都要存储该路径的信息
    优缺点：
        无连接套接字传输效率高，不可靠、丢失数据报、捣乱数据
        有连接套接字可靠、传输效率低，耗费资源
    有连接的套接字TCP：HTTP、FTP等
    无连接的套接字UDP：DNS、即时聊天工具等

OSI 网络七层模型

    OSI模型:Open System Interconnection： 开发式系统互联
        七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
        TCP/Ip 模型： 网络接口层、网络层、传输层、应用层
            网络接口：针对不同物理网络的连接形式的协议，如：Ethernet、FDDI、ATM
            网络层：负责数据的传输，路径及地址选择，常用协议：IP ARP(地址解析协议)
            传输层：确认数据传输及进行纠错处理，常用协议：TCP、UDP(用户数据报协议)
            应用层：各种服务及应用程序通过该层利用网络，常用协议：HTTP、FTP、SMTP(简单邮件传输协议)等
            发送数据包时，程序或软件是通过应用层访问网络，产生的数据会一层一层往下传输，到最后的王略接口层，通过网线发送到网上，每传一层，协议增加一层包装，比原始数据多了四层包装。
            接收数据包时：从网络接口层一层一层网上传，每传一层就拆开一层包装，到最后的应用层，最原始的数据。
            socket：在传输层的基础上，使用TCP/IP协议，不能访问网页，访问网页需要HTTP协议
        计算机通信的原则：
            1. 同一层次进行通信，
            2. 功能必须相同
            3. 数据只能逐层传输，不能跃层
            4. 可使用下层提供的服务，并向上层提供服务

TCP/IP协议族
    协议： Protocol 是网络通信过程中的约定或合同，双方必须都遵守才能正常收发数据。 协议是一种规范，通信双方需使用同一协议才能通信，

    TCP/IP模型包含 TCP、IP、UDP、Telnet、FTP、SMTP等
    TCP/UDP:![SOCKET](http://c.biancheng.net/uploads/allimg/190126/1-1Z126104435N0.gif)
开放式系统 Open System
    以多个标准为依据设计的系统称为开放式系统

IP、MAC和端口号 - 网络通信中确认身份信息的三要素

IP地址
    是 Internet Protocol Address ，网际协议地址
Mac地址 
    是 Media Access Control Address , 媒体访问控制地址，称为局域网地址LAN Address，以太网地址 Ethernet Address 或 物理地址Physical Address
端口号
    Port Number 为每个网路程序分配一个独一无二的端口号
    是一个虚拟的、逻辑上的概念

Linux 下的Socket 演示程序

服务器端代码server.cpp:
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
    ...
    int main() {
        int serv_sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROPT_TCP);
        struct sockaddr_in serv_addr;

    }
...
[SOCKET CPP](http://c.biancheng.net/view/2128.html)

WSAStartup() 函数以及DLL的加载

[More](http://c.biancheng.net/view/2130.html)

Socket() 函数用法：创建套接字

Linux 下的Socket函数
使用<sys/socket.h> 头文件中socket函数创建套接字，原型为：
int socket(int af, int type, int protocol);
    1. af: 地址族 Address Family， IP地址类型，常用AF_INET：表示IPv4地址 和 AF_INET6：表示IPv6地址，
    2. type 为数据传输方式/套接字类型，常用： SOCK_STREAM 流格式套接字/面向连接套接字 和 SOCK_DGRAM 数据套接字/无连接的套接字
    3. protocol 表示传输协议，常用： IPPROTO_TCP 和 IPPROTO_UDP
TCP：
    int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
UDP:
    int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
将 protocol的值设为0， 系统可自动推演出使用的协议：
    int tcp_socket = socekt(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)    // TCP
    int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM,  0)    // UDP

bind() 和 connect()函数：绑定套接字并建立连接
    使用 bind函数将套接字与特定的IP地址和端口绑定起来，
    bind 函数原型：
        int bind(int sock, struct sockaddr * addr, socklen_t addrlen);    //linux
        int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr * addr, int addrlen);    // windows
        [More](http://c.biancheng.net/view/2344.html)

listen accept : 让套接字进入监听状态并响应客户端请求
    listen 函数：让套接字进入被监听状态，原型：
        int listen(int sock, int backlog);    //linux
        int listen(SOCKET sock, int backlog);    // windows
            sock: 进入监听状态的套接字， backlog： 请求队列的最大长度

[More](http://c.biancheng.net/view/2345.html)

send()/recv()和write()/read(): 发送数据和接收数据

Linux 下数据的接收和发送
    [More](http://c.biancheng.net/view/2346.html)        

@Author : Hale Lv
@Created Time : 2019-09-02 09:45:17
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图解TCP数据报结构以及三次握手

TCP： Transmission Control Protocol，传输控制协议。 一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议，数据在传输前要建立连接，完毕后要断开连接
客户端在收发数据前要使用connect 函数和服务器建立连接，建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误，为数据的传输开辟通道
TCP建立连接时要传输三个数据包，俗称：三次握手 Three-way Handshaking ：
    [Shake 1]套接字A： "你好，套接字B，我这里有数据包传给你，建立连接吧"
    [Shake 2]套接字B："好的，这边已经准备就绪"
    [Shake 3]套接字C："谢谢你受理我的请求"
    TCP三次握手:![三次握手](http://c.biancheng.net/uploads/allimg/190219/1155315343-0.jpg)
    图片中带阴影的字段说明：
        1. 序号： Seq： Sequence Number ： 序号占32位，用来识别从计算机A发送到计算机B的数据包的序号，计算机发送数据时对此进行标记
        2. 确认号：Ack：Acknowledge Number： 确认号占32位， 客户端和服务器端都可以发送， Ack=Seq+1
        3. 标志位： 每个标志位占用1Bit， 共有6个，分别为：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具体含义：
            URG： 紧急指针urgent pointer 有效
            ACK： 确认序号有效
            PSH： 接收方应该尽快将这个报文交给应用层
            RST： 重置连接
            SYN： 建立一个连接
            FIN： 断开一个连接
            Seq 是 Sequence 的缩写，表示序列； Ack 是 Acknowledeg 缩写，表示确认； SYN 是 Synchronous 的缩写， 愿意是 同步的， 表示建立同步连接； FIN是Finish的缩写，表示完成

    连接的建立(三次握手)
        使用Connect 建立连接

        Three-hand: ![Hands](http://c.biancheng.net/uploads/allimg/190219/1155312401-1.jpg "Three-Hands")
        客户端调用socket 函数创建套接字后，因没建立连接，所以套接字处于CLOSED状态，服务器调用listen函数后，套接字进入LISTEN状态，开始监听客户端请求
        客户端开始发起请求：
            1. 当客户端调用connect 函数后，TCP协议会组建一个数据包，并设置SYN标志位，表示该数据包用来建立同步连接的，同时生成一个随机数字1000， 填充 序号Seq 字段，表示该数据包的序号。完成这些工作，开始想服务器端发送数据包，客户端进入SYN-SEND状态
            2. 服务器端收到数据包，检测到已经设置了SYN标志位， 检测到是客户端发来的建立连接的请求包，服务器也组建一个数据包， 并设置SYN和ACK标志位，SYN表示该数据包用来建立连接，ACK用来确认收到刚才客户端发送的数据包
            服务器生成一个随机数2000，填充 序号 Seq 字段，2000 和客户端数据包没有关系
            服务器将数据包发出，进入SYN-RECV状态
            3. 客户端收到数据包，检测到已经设置 SYN 和ACK 标志位， 检测到服务器发来的 确认包， 客户端检测 确认号 Ack 字段，看值是否为1000+1，如是说明连接成功
            客户端将数据包发出，进入ESTABLISED状态，表示连接已经成功建立
            4. 服务器端收到数据包，检测到已经设置ACk标志位，知道是客户端发来的 确认包，服务器会检测 确认号Ack字段， 看值是否为2000+1，如是说明连接建立成功，服务器进入ESTABLISED状态
            至此，客户端和服务器都进入ESTABLISED状态，连接建立成功，接下可收发数据
    最后的说明：
        三次握手的关键是要确认对方收到了自己的数据包，目标就是通过 确认号 Ack 字段实现的，计算机会记录下自己发送的数据包序号Seq，待收到对方的数据包后，检测 确认号Ack字段，看Ack = Seq + 1 是否成立， 如成立说明对方正确收到了自己的数据包

TCP数据的传输过程

Ack 号  = Seq号 + 传递的字节数 + 1
重传超时事件 RTO ， Retransmission Time Out
重传次数

TCP四次握手断开连接

[More](http://c.biancheng.net/view/2353.html)

shotdown 函数： 优雅地断开TCP连接

[More](http://c.biancheng.net/view/2354.html)

Socket 实现文件传输

Client 从Server 下载一个文件并保存到本地
需注意：
    1. 文件大小不确定该，调用一次write /send 函数不能完成文件内容的发送，接收数据也同样
    解决方案： 可使用while 循环：
        int nCount;
        while(nCount = fread(buffer, 1, BUF_SIZE, fp)) > 0 {
            send(sock, buffer, nCount, 0);
        }    
        // Client
        int nCount;
        while((nCount = recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0)) > 0 ) {
            fwrite(buffer, nCount, 1, fp);
        } 
        [More](http://c.biancheng.net/view/2355.html)

网络数据的大小端问题

        大端序和小端序

        网络字节序转换函数

gethostbyname: 通过域名获取IP地址
    通过域名获取IP地址
    [More](http://c.biancheng.net/view/2359.html)