Socket編程基礎
本章以Berkeley Socket為主，主要介紹網(wǎng)絡編程時常用的調(diào)用和程序使用它們的方法及基本結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡編程有兩種主要的編程接口，一種是Berkeley UNIX（BSD UNIX）的socket編程接口，另一種是AT&T的TLI接口（用于UNIXSYSV）。
1 、TCP/IP 基礎知識
這里先假定讀者對ISO的OSI七層模型已有了一定的了解，下面我們來看看TCP/IP模型。ISO的OSI對服務、接口和協(xié)議的概念區(qū)別十分明了，但它卻沒有真正的用戶群。TCP/IP模型對服務、接口和協(xié)議的概念區(qū)別不象OSI模型那樣明晰，但很實用。TCP/IP模型分為四層，對應于OSI七層模型如下圖所示：圖6-1 TCP/IP參考模型與OSI模型的近似對應關(guān)系在TCP/IP模型中，互聯(lián)網(wǎng)層是基于無連接互聯(lián)網(wǎng)絡層的分組交換網(wǎng)絡。在這一層中主機可以把報文（Packet）發(fā)往任何網(wǎng)絡，報文獨立地傳向目標。互聯(lián)網(wǎng)層定義了報文的格式和協(xié)議，這就是IP協(xié)議族（Internet Protocol）。互聯(lián)網(wǎng)層的功能是將報文發(fā)送到目的地，主要的設計問題是報文路由和避免阻塞。互聯(lián)網(wǎng)層上面是傳輸層，該層的主要功能和OSI模型的該層一樣，主要使源和目的主機之間可以進行會話。該層定義了兩個端到端的協(xié)議，一個是面向連接的傳輸控制協(xié)議TCP，另一個是無連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP。TCP/IP協(xié)議模型中沒有會話層和表示層。傳輸層之上是應用層，它包含所有的高層協(xié)議，如遠程虛擬終端協(xié)議TELNET、文件傳輸協(xié)議FTP、簡單郵件傳輸協(xié)議SMTP等。這些高層協(xié)議中常見的如TELNET協(xié)議，用來允許用戶遠程登錄到另一臺UNIX機器；FTP協(xié)議用來傳輸文件，常見的有WU-FTP（Washington University的FTP服務器端程序，是一個免費程序）；SMTP協(xié)議用來傳送email，常見的服務器端程序有netscape等公司制作的程序，也有免費使用的sendmail程序；還有域名系統(tǒng)服務DNS協(xié)議，新聞組傳送協(xié)議NNTP，用于WWW的超文本傳輸協(xié)議HTTP等。主機到網(wǎng)絡這一層，在TCP/IP模型中沒有詳細定義，這里不作介紹。
2、 Socket一般描述
由于越來越多的計算機廠商，特別是工作站制造商如Sun等公司采用了Berkeley UNIX，socket接口被廣泛采用，以至于現(xiàn)在，socket接口被廣泛認可并成為了事實上的工業(yè)標準。目前的SYSV、BSD、OSF都將socket接口作為系統(tǒng)的一部分。當時設計如何支持TCP/IP協(xié)議時，有兩種加入函數(shù)的方法，一種是直接加入支持TCP/IP協(xié)議的調(diào)用，另一種是加入支持一般網(wǎng)絡協(xié)議的函數(shù)，而用參數(shù)來指定支持TCP/IP協(xié)議。Berkeley采用了后者，這樣可以支持多協(xié)議族，TCP/IP是協(xié)議族之一（PF_INET）。
2.1 socket 描述符
前面已經(jīng)提到過，在UNIX中，進程要對文件進行操作，一般使用open調(diào)用打開一個文件進行訪問，每個進程都有一個文件描述符表，該表中存放打開的文件描述符。用戶使用open等調(diào)用得到的文件描述符其實是文件描述符在該表中的索引號，該表項的內(nèi)容是一個指向文件表的指針。應用程序只要使用該描述符就可以對指定文件進行操作。同樣，socket接口增加了網(wǎng)絡通信操作的抽象定義，與文件操作一樣，每個打開的socket都對應一個整數(shù)，我們稱它為socket描述符，該整數(shù)也是socket描述符在文件描述符表中的索引值。但socket描述符在描述符表中的表項并不指向文件表，而是指向一個與該socket有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。BSD UNIX中新增加了一個socket調(diào)用，應用程序可以調(diào)用它來新建一個socket描述符，注意進程用open只能產(chǎn)生文件描述符，而不能產(chǎn)生socket描述符。socket調(diào)用只能完成建立通信的部分工作，一旦建立了一個socket，應用程序可以使用其他特定的調(diào)用來為它添加其他詳細信息，以完成建立通信的過程。
2.2 從概念上理解socket的使用網(wǎng)絡編程中最常見的是客戶/服務器模式。
以該模式編程時，服務端有一個進程（或多個進程）在指定的端口等待客戶來連接，服務程序等待客戶的連接信息，一旦連接上之后，就可以按設計的數(shù)據(jù)交換方法和格式進行數(shù)據(jù)傳輸?？蛻舳嗽谛枰臅r刻發(fā)出向服務端的連接請求。
這里為了便于理解，提到了這些調(diào)用及其大致的功能。使用socket調(diào)用后，僅產(chǎn)生了一個可以使用的socket描述符，這時還不能進行通信，還要使用其他的調(diào)用，以使得socket所指的結(jié)構(gòu)中使用的信息被填寫完。在使用TCP協(xié)議時，一般服務端進程先使用socket調(diào)用得到一個描述符，然后使用bind調(diào)用將一個名字與socket描述符連接起來，對于Internet域就是將Internet地址聯(lián)編到socket。之后，服務端使用listen調(diào)用指出等待服務請求隊列的長度。然后就可以使用accept調(diào)用等待客戶端發(fā)起連接（一般是阻塞等待連接，后面章節(jié)會講到非阻塞的方式），一旦有客戶端發(fā)出連接，accept返回客戶的地址信息，并返回一個新的socket描述符，該描述符與原先的socket有相同的特性，這時服務端就可以使用這個新的socket進行讀寫操作了。一般服務端可能在accept返回后創(chuàng)建一個新的進程進行與客戶的通信，父進程則再到accept調(diào)用處等待另一個連接。客戶端進程一般先使用socket調(diào)用得到一個socket描述符，然后使用connect向指定的服務器上的指定端口發(fā)起連接，一旦連接成功返回，就說明已經(jīng)建立了與服務器的連接，這時就可以通過socket描述符進行讀寫操作了。下面是在客戶和服務端使用TCP時，客戶進程和服務進程使用系統(tǒng)調(diào)用的該程。
使用TCP的客戶和服務端使用系統(tǒng)調(diào)用的圖示使用無連接的UDP協(xié)議時，服務端進程創(chuàng)建一個socket，之后調(diào)用recvfrom接收客戶端的數(shù)據(jù)報，然后調(diào)用sendto將要返回客戶端的消息發(fā)送給客戶進程?？蛻舳艘惨葎?chuàng)建一個socket，再使用sendto向服務端進程發(fā)出請求，使用recvfrom得到返回的消息。