一、套接字
1、什么是套接字（socket）
2、創建套接字
1) 協議族（Protocol Family）
2) 套接字類型
3) 協議確定
3、分配IP和端口
1) IP（Internet Protocol）
2) 端口
3) 地址信息詳解
4) 主機字節序/網絡字節序
5) 綁定IP和端口
二、基于TCP的服務器端
1、TCP/IP協議
2、TCP服務器主流程
3、等待連接請求
4、受理請求
5、數據交換
6、斷開連接
7、調試工具
三、基于TCP的客戶端
四、回顧主流程
一、套接字
1、什么是套接字（socket）
首先，我不想闡述太多的概念，直接拿例子說話最實際，說得越多就越亂。那么讓我們先來看一個概念（囧），網絡編程。
網絡編程就是編寫程序將兩臺連網的計算機實現數據交換。如何進行數據交換？首先需要物理連接，這個不是我們程序員需要關心的事情，我們需要關心的是如何編寫數據傳輸軟件。操作系統為我們提供了“套接字”（socket）模塊來干這件事。
套接字是網絡數據傳輸用的軟件設備。更加直白的解釋是這樣的：網絡上兩個程序通過一個雙向的通信連接實現數據交換，這個連接的一端稱為一個套接字。
2、創建套接字
好了，概念貌似是比較清晰了的樣子，那么讓我們來看看套接字到底是個什么鬼。
創建套接字的函數如下：
int socket(int domain, int type, int protocol);
成功時返回文件描述符，失敗時返回-1。
這個函數是操作系統提供的，用于創建一個套接字的內核對象（內核對象是指由操作系統創建的一系列資源，比如進程、線程、文件、套接字、信號量、互斥量等等）。返回值是一個文件描述符，可以簡單的理解為一個ID。如果熟悉MFC的話，我們會發現Windows開發時創建窗口返回的是一個叫“句柄”的東西。沒錯了，Linux上叫文件描述符，Windows上叫句柄。
這里有必要講一下文件描述符和socket的關系，因為在Linux下socket操作和文件操作沒有區別，即socket也是文件的一種（Windows下并非如此）。文件描述符是系統分配給文件或套接字的整數。在stdio.h頭文件下有三個預定義的文件描述符：
#define stdin (&__iob_func()[0])
#define stdout (&__iob_func()[1])
#define stderr (&__iob_func()[2])
即0代表標準輸入，1代表標準輸出，2代表標準錯誤。所以應用程序申請的socket編號從3開始。
接下來解釋下socket創建時用到的參數：
domain 代表套接字中使用的協議族，type 代表套接字數據傳輸類型，protocol 代表通信協議。這樣一解釋，是不是本來還有點理解，現在完全懵逼了？不要緊張，一個一個來解釋。
1）協議族（Protocol Family）
能用圖的時候堅決不寫字，所以就有了下面這個圖。
圖一-2-1
IPv4是互聯網協議的第四版，也是第一個被廣泛使用，構成現今互聯網技術的基礎的協議。所以我們著重講解PF_INET，其它的暫且可以不管了，是不是很開心？
2）套接字類型
套接字類型決定了數據傳輸方式。總共有兩種：SOCK_STREAM創建面向連接的套接字、SOCK_DGRAM創建面向消息的套接字。
SOCK_STREAM：
面向連接，可以理解成一條傳送帶，只要這條傳送帶質量沒有問題（也就是網一直連著），那么傳送帶上的物品就不會丟失，較晚的物品不會先到達（傳送帶的保序特性），并且傳輸的物品不存在數據邊界：即發送方和接收方的發送/接收的動作并非一一對應，比如發送方在傳送帶起點連續多次放了一些物品，接收方可以只通過一次操作就取走所有物品。這是因為發送和接收數據有一個內部緩沖（buffer），發送方的數據通過發送方的輸出緩沖存放至接收方的輸入緩沖，如果接收方不取走數據，這些數據就一直在它的輸入緩沖中。緩沖滿了會提供數據重傳機制，所以面向連接的套接字不會存在數據丟失。一句話概括：
可靠、保序、面向連接的數據傳輸方式的套接字。
SOCK_DGRAM：
面向消息，可以理解成快遞。快遞運送過程有可能丟失，不同快遞公司運送的速度不同，所以無法保證先寄出的快遞先到達，并且發送一個快遞，接收的也是一個，因此有數據邊界。而且必須限制快遞的大小。一句話概括：
不可靠、不保序、以高速數據傳輸為目的的套接字。
3）協議確定
參數PF_INET指定的IPv4協議族中，指定SOCK_STREAM面向連接的傳輸方式，滿足前兩個條件的協議只有IPPROTO_TCP，因此可以如下調用創建：
int tcp_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
參數PF_INET指定的IPv4協議族中，指定SOCK_DGRAM面向消息的傳輸方式，滿足前兩個條件的協議只有IPPROTO_UDP，因此可以如下調用創建：
int udp_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
因為兩種socket都只有一種協議，所以第三個參數可以省略。
那么什么時候用TCP，什么時候用UDP呢？來日方長。先賣個關子。這里先以TCP連接為例子進行展開。
3、分配IP和端口
上面講了一大堆，竟然只講了一個socket的創建，看來我還是太啰嗦了。那么，既然啰嗦了，就再啰嗦幾句吧（囧）。創建完的套接字需要綁定一個網絡地址，這樣網絡的兩端才能進行通信。
綁定套接字網絡地址的函數如下：
int bind(int sockfd, struct sockaddr* addr, socket_t addrlen);
成功時返回0，失敗時返回-1。
第一個參數就是我們創建的那個套接字ID（文件描述符），第二個參數就說來話長了，首先來看下sockaddr這個結構體的定義：
struct sockaddr {
unsigned short sin_family; /* Address family */
char sa_data[14]; /* 14 bytes of protocol address */
};
看完了嗎？
不說話就是看完了，那我們再來看另一個？
struct sockaddr_in {
unsigned short sin_family; /* Address family */
unsigned short sin_port; /* Port number */
struct in_addr sin_addr; /* Internet address */
unsigned char sin_zero[8]; /* Same size as struct sockaddr */
};
嗯，細心的你應該發現了，還有一個結構體沒有定義。
struct in_addr {
unsigned int s_addr; /* Internet address */
};
現在開始科普，1個sockaddr結構體的總字節數為16（2+14），sockaddr_in的總字節數也是16（2+2+4+8）。所以兩者可以通過取地址后用指針進行強制轉換（C/C++中的基礎知識）。那么為什么要設計兩種結構體呢？先來看下IP和端口的定義。
1）IP（Internet Protocol）
為了使計算機連接到網絡并收發數據，必須向其分配IP地址。IP地址主要分為兩類：IPv4和IPv6。IPv4是4字節的，IPv6是為了應對IP地址耗盡的問題而提出的標準，它是16字節的。目前主要應用的還是IPv4，這里也只討論IPv4的情況。
IPv4標準的4字節IP地址分為網絡地址和主機地址，且分為A、B、C、D、E等類型，E類作為保留使用，如圖一-3-1所示。
圖一-3-1
數據在互聯網進行傳輸的時候，首先瀏覽網絡地址，將數據傳輸到對應的網絡，再由該網絡將數據分派到對應的主機。
并且只需要判斷首字節就能清楚的知道是哪類地址。A類地址首字節范圍：0~127，B類地址首字節范圍：128~191，A類地址首字節范圍：192~223。
2）端口號
IP用于區分計算機，端口號用于區分應用程序。比如你在看視頻和瀏覽網頁的時候都需要用到數據傳輸，那么如何區分數據是傳遞到那個應用程序呢，就需要給套接字指定端口號。端口號是一個2字節的無符號整型，端口號范圍0-65535，其中0-1023為知名端口已經被占用（如FTP、HTTP、SMTP）。
3）地址信息詳解
了解IP和端口后，就可以填充sockaddr_in結構了。讓我們再來回顧一下sockaddr_in結構體。
* sin_family
還記得創建socket時候的第一個參數嗎？我們這里只討論IPv4協議族，所以這里用PF_INET即可（有些代碼里用AF_INET，它和PF_INET在Windows里是同一個宏）。
* sin_port
保存16位（2字節）端口號，需要以網絡字節序保存（稍后介紹）。
* sin_addr
保存32位（4字節）IP地址信息，以網絡字節序保存。雖然是個結構體，但是結構體下只有一個整型變量，所以可以直接理解成32位整數即可。
* sin_zero
保留字段，只是為了和sockaddr字節對齊。引入sockaddr_in的原因是當協議族不是PF_INET時，情況不一樣。比如IPv6的情況，IP地址是16個字節的，sin_addr明顯不夠用。
4）主機字節序/網絡字節序
主機字節序主要有兩種：大端序：高字節放低位地址、小端序：高字節放高位地址。
例如，一個2字節的數字0x1234，存放的基地址為0x10。如果采用大端序，0x10存放0x12，0x11存放0x34。如果采用小端序，0x10存放0x34，0x11存放0x12。
網絡傳輸數據時統一采用大端序。所以必須先將數據轉化成大端序格式再進行網絡傳輸。轉換函數操作系統已經給出了，總共有如下四個：htons、ntohs、htonl、ntohl。
我去！這是什么鬼？
不用擔心，其實這四個函數很容易識別，它是由h、to、n、l、s這幾個詞拼出來的。h代表host，n則是network，l是long，s是short。
主要用于對IP和端口進行主機字節序和網絡字節序的轉換。那么也許有人會問，那實際數據傳輸的時候也需要這么干嗎？答案是否定的！
5）綁定IP和端口
實際綁定過程如下代碼所示：
#define IP "156.123.122.11"
#define PORT 10101
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = PF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
serv_addr.sin_port = htons(PORT);
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
其中inet_addr是系統函數，將點分十進制的IP地址轉換成32位大端序的整型值，失敗返回 INADDR_NONE。
二、基于TCP的服務器端
1、TCP/IP協議
根據數據傳輸方式的不同，基于網絡協議的套接字一般分為TCP套接字和UDP套接字。還記得創建套接字時指定的第二個參數嗎？當它為SOCK_STREAM時，即為TCP套接字。TCP是Transmission Control Protocol（傳輸控制協議）的簡稱。TCP和UDP處于網絡四層協議棧的傳輸層（網絡接口層-IP層-傳輸層-應用層）。之所以要分層，是為了通過標準化操作設計開放式系統，路由器用來完成IP層的交互任務，不同公司生產的路由器可以進行互相替換，因為生產商會按照IP層的標準制造。而網卡則是遵循了網絡接口層的協議標準制造的。
2、TCP服務端主流程
圖二-2-1
如圖二-2-1所示，為TCP服務端的函數調用順序。調用socket創建套接字，然后利用bind為套接字分配地址。利用listen使對應套接字進入等待連接請求狀態。如果有新的請求，則調用accept接收新的客戶端連接。接著使用read（接收）和write（發送）實現數據交換。數據交換完畢調用close關閉套接字。
3、等待連接請求
只有當服務端調用了listen函數等待連接請求，客戶端才有機會接入。listen的調用比較簡單。
int listen(int sockfd, int backlog);
成功時返回0，失敗時返回-1。
sockfd代表了希望進入等待連接請求的文件描述符，傳遞完畢后該套接字成為服務器端套接字（監聽套接字）。backlog為指定的連接請求等待隊列的長度。
對于一個TCP連接，服務器端與客戶端需要通過三次握手來建立網絡連接。當三次握手成功后，端口狀態由LISTEN轉變為ESTABLISHED，接著這條鏈路上就可以開始傳送數據了。每一個處于監聽(Listen)狀態的端口，都有自己的監聽隊列。監聽隊列的長度與如下兩方面有關:
a. proc/sys/net/core/somaxconn
b. listen 的第二個參數backlog
隊列大小為兩者的小值，可以通過 echo 1000 > proc/sys/net/core/somaxconn 來修改前者。第二個參數backlog設置太小會導致高并發情況下，客戶端connect的時候隊列滿了，服務器端就不會受理了，客戶端繼續嘗試...如果還是滿的...就這樣惡性循環，最后導致連接超時。
4、受理請求
服務端受理客戶端請求是由以下函數完成的：
int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socket_t* addrlen);
成功時返回創建的套接字文件描述符，失敗時返回-1。
函數調用成功后，操作系統將產生用于數據I/O的套接字。當客戶端發起connect（稍后第三節會講到）請求，服務端不會馬上受理，而是將這些請求放在listen所對應套接字的等待隊列中，accept的作用就是將隊列首的請求取出來進行受理。accept的第二個參數addr就保存了客戶端的地址信息，因為調用前我們并不知道是哪個客戶端接入的，所以我們并不需要填充addr指向的結構。當accept返回時，自然就把地址填在*addr（注意前面的*，表示解引用，因為addr是個指針）了。
并且如果沒有特殊指定，accept是同步阻塞的，即當等待隊列為空時，accept函數不會返回。
5、數據交換
所謂數據交換，就是我們通常所說的I/O（Input/Output）。對于TCP連接（UDP的先不介紹），主要有兩個系列的函數：
a、read/write （Linux）
b、recv/send （Windows/Linux）
限于篇幅問題，這里簡單介紹下read和write，剩余內容待到日后再詳細研究。
int read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
成功時返回接收到的字節數（遇到文件結尾返回0），失敗時返回-1。
read用于讀取（接收）數據。fd代表數據接收對象的文件描述符，可以是文件也可以是套接字；buf保存了接收數據的首地址；nbytes代表將要接收的最大字節數。
int write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
成功時返回發送的字節數，失敗時返回-1。
write用于寫入（發送）數據。fd代表數據發送對象的文件描述符，可以是文件也可以是套接字；buf傳入的是發送數據的首地址；nbytes代表發送的最大字節數。
read和write相呼應，一端進行write，另一端進行read。這里涉及到I/O緩沖的問題，有必要解釋一下。對于TCP而言，數據收發無邊界，意味著服務端調用3次write函數，每次10字節（數據收發以字節為單位），客戶端有可能通過一次read調用直接接收30字節的數據，反之亦然。那么這個是如何做到的呢？發送出去的字節在沒有接收的情況下是寄存在哪里的？
如圖二-5-1，write函數調用后并非立即發送數據，read函數調用后也并非立即接收數據。write調用瞬間，數據將移至輸出緩沖；read調用瞬間，從輸入緩沖讀取數據。并且在適當的時候，會將本地的輸出緩沖的數據傳送到對方的輸入緩沖中區。
圖二-5-1
這里需要理清幾個知識點：
a.每個TCP套接字都有自己的I/O緩沖，并且在創建該套接字時自動生成（即用戶不需要關心它的創建和銷毀）。
b.如果輸出緩沖中還有數據，關閉套接字，這些數據還是會傳送出去。
c.如果輸入緩沖中還有數據，關閉套接字，這些數據就丟失了。
那么write函數何時返回？等到對方read之后才返回？答案是否定的。我們之前提到了輸出緩沖，沒錯，write函數就是負責將數據移動到輸出緩沖，然后就返回了。那么如果輸出緩沖滿了怎么辦？這個又是一個值得討論的問題。需要分阻塞socket和非阻塞socket，限于篇幅先不考慮，以后專門講這個問題。對于read的時候緩沖區為空時，同樣需要考慮阻塞和非阻塞的情況。
6、關閉套接字
直接給出關閉函數：
int close(int sockfd);
成功時返回0，失敗時返回-1。
關閉函數還有一個叫shutdown的，屬于“半關閉”。這里先介紹到這里。
7、調試工具
這里假設我們的服務器是架設在Linux上的，可以利用gcc（GNU Compiler Collection）對源文件進行編譯和鏈接。
gcc test.c -o test
將test.c預處理、匯編、編譯并鏈接形成可執行文件test。-o選項用來指定輸出文件的文件名。
gcc -g test.c -o test
增加-g選項，便于用gdb進行調試。
程序出現錯誤后，會生成一個core.test.30212的dump文件(其中30212為當時運行時候的進程ID)，可以利用gdb進行堆棧查看。
gdb test core.test.30212
運行指令后，進入gdb調試界面。輸入where、backtrace、info stack都可以查看到發生錯誤的堆棧。
注意：寫代碼的時候可以在核心代碼的前后打上printf用于測試代碼是否正確運行到這里，注意Linux下printf最后需要加上'\n'，因為printf是行緩沖。
三、基于TCP的客戶端
1、TCP客戶端主流程
客戶端的結構相對于服務端比較簡單，創建socket之后調用connect進行連接，剩下的流程就一樣了。
圖三-1-1
2、請求連接
請求連接的函數如下：
int connect(int sockfd, struct sockaddr* servaddr, socket_t addrlen);
成功時返回0，失敗時返回-1。
第一個參數為客戶端的文件描述符，第二個參數為服務端的網絡地址（同上文中的bind）的指針，第三個參數傳入sizeof(sockaddr)即可。
上文說到服務端調用listen函數后創建連接請求的等待隊列，這時候客戶端調用connect進行請求。connect函數的返回條件是服務端接收連接請求或者發生斷網等異常情況，這里的服務端“接收連接“并不是代表服務端調用accept，其實服務端把請求記錄到等待隊列里。
客戶端進行本次連接的IP和端口號并不需要應用程序去分配，操作系統已經把這點做好了。
四、回顧主流程
最后我們來回顧下，今天學到的主要內容。用偽代碼來描述下整個過程。
服務端：
int main() {
server_sock = socket();
bind(server_sock);
listen(server_sock, 5);
client_sock = accept(server_sock);
read(client_sock, buf);
write(client_sock, buf);
close(client_sock);
close(server_sock);
}
客戶端：
int main() {
sock = socket();
connect(sock);
write(sock, buf);
read(sock, buf);
close(sock);
}
（未完待續...）