一文带你了解socket网络编程以及详解过程和原理

曾经终败给现在 2023-10-13 11:39 58阅读 0赞

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> 创作不易，期望亲友们给个免费的![在这里插入图片描述][b1b9639976114dcb9d7d07163736ac32.png]就行

#### 文章目录 ####

*  一、什么是socket
 *  二、TCP/IP
 *  三、socket原理
 *  四、代码说明
 *  五、API函数

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## 一、什么是socket ##

**`Socket（套接字）是计算机网络编程中的一种抽象概念，它提供了在网络上进行通信的接口。通过使用 Socket，可以在不同计算机之间建立连接，并进行数据的传输和交换。`**

**Socket 可以用于实现各种网络应用，例如：**  
`1. 客户端-服务器通信：`通过 Socket，客户端可以与服务器建立连接并发送请求，服务器接收请求并返回响应。  
`2. 网络聊天和即时通讯：`通过 Socket，可以在多个用户之间实现实时的文字、音频或视频通信。  
`3. 文件传输：`可以使用 Socket 在不同计算机之间传输文件，如上传和下载文件。  
`4. 远程控制：`可通过 Socket 在远程计算机上执行指令或操作。  
`5. P2P（点对点）通信：`Socket 提供了直接的点对点通信接口，允许两个或多个计算机直接进行数据交换。

具体使用 Socket 进行网络编程时，需要考虑协议、端口、IP 地址、数据格式等因素，以确保通信的正确性和有效性。不同编程语言和平台都有相应的 Socket API 和库，可以根据自己的需求选择合适的工具和技术。

## 二、TCP/IP ##

要理解socket必须的得理解tcp/ip，它们之间好比送信的线路和驿站的作用，比如要建议送信驿站，必须得了解送信的各个细节。  
![在这里插入图片描述][bccdd4d64367444eac483717d80c9833.png]  
`这里说一下tcp/ip的如何工作的，以网站简单介绍一下：`

应用程序阶段：

*  打开浏览器，在浏览器地址栏中输入网址，按下“Enter”键。此时网址信息与相关数据会被浏览器包成一个数据，并向下传给TCP/IP的应用层。
 *  应用层：由应用层提供HTTP通信协议，将来自浏览器的数据封装起来，并给予一个应用层报头，再向传输层丢去。
 *  传输层：由于HTTP为可靠连接，因此将该数据丢入TCP封装内，并给予一个TCP封装的报头，向网络层丢去。
 *  网络层：将TCP数据封装到IP数据包内，再给予一个IP包头，向网络接口层丢去
 *  网络接口层：若使用以太网络，IP会依据CSMA/CD标准，封装到MAC数据帧中，并给予MAC帧头，再转成比特流后，利用传输介质发送到远程主机上。

**等到该网站收到数据包后，再以相反方向拆解开来，然后交给对应层次进行分析，最后就让该网站的WWW服务器软件获知你所想要的数据，该服务器软件再根据你的要求取得正确资料，再依据上次流程，传递到你的手上**

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**`其中还需要了解的是tcp连接的三次握手：`**  
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**TCP 三次握手（Three-Way Handshake）是建立 TCP 连接时的一种过程，用于确保双方能够正常通信。下面是 TCP 三次握手的步骤：**

**1. 第一次握手（SYN-Sent）：**

*  客户端向服务器发送一个带有 SYN（同步序列编号）标志的数据包，表示客户端请求建立连接。
 *  客户端选择一个初始序列号（ISN）并将其放入 SYN 数据包中，用于后续的数据传输。

**2. 第二次握手（SYN-Received）：**

*  服务器收到客户端的 SYN 数据包后，确认收到，并发送一个带有 SYN/ACK（同步/确认）标志的数据包给客户端。
 *  服务器也选择一个初始序列号并将其放入 SYN/ACK 数据包中。

**3. 第三次握手（ESTABLISHED）：**

*  客户端收到服务器的 SYN/ACK 数据包后，确认收到，并向服务器发送一个带有 ACK（确认）标志的数据包。
 *  客户端确认标识自己已经收到了服务器发来的确认，并且服务器也确认了客户端的请求连接。

经过三次握手后，TCP 连接就建立起来了，双方可以开始进行数据传输。这个过程能够保证两端的初始序列号和连接参数都得到确认，同时确认双方的接收能力和发送能力正常。如果有一方没有收到另一方的确认，会触发超时重传机制，保证连接的可靠性。

## 三、socket原理 ##

大致的了解了应用程序和tcpip协议的大致关系，我们只是知道socket编程是在tcp/IP上的网络编程，但是socket在上述的模型的什么位置呢。  
![在这里插入图片描述][64efdeb0934245d4b74aebc95eda8741.png]  
我们可以发现socket就在应用程序的传输层和应用层之间，设计了一个socket抽象层，传输层的底一层的服务提供给socket抽象层，socket抽象层再提供给应用层，问题又来了，应用层和socket抽象层之间和传输层，网络层之间如何通讯的呢，了解这个之前，我们还是回到原点

要想理解socket编程怎么通过socket关键词实现服务器和客户端通讯，必须得实现的了解tcp/ip是怎么通讯的，在这个的基础上在去理解socket的握手通讯

**在tcp/ip协议中，tcp通过三次握手建立起一个tcp的链接，大致如下**

`第一次握手：`客户端尝试连接服务器，向服务器发送syn包，syn=j，客户端进入SYN\_SEND状态等待服务器确认

`第二次握手：`服务器接收客户端syn包并确认（ack=j+1），同时向客户端发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN\_RECV状态

`第三次握手：`客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

三次握手如下图：  
![在这里插入图片描述][6a0a0d31895344c193725fc494e4f01a.png]

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## 四、代码说明 ##

`客户端`

public class webClient {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Scanner scanner=new Scanner(System.in);
            String messageA=""; //储存A发送的消息
            try {
        
                // 创建 Socket，连接到服务器的 IP 地址和端口
                Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
    
                // 获取输入流和输出流
                InputStream inputStream = socket.getInputStream();
                OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
               while (true){
          //一直保持发送
                   System.out.print("输入消息："+'\t');
                   // 输入消息
                   messageA=scanner.nextLine();
                   // 发送消息给服务器
                   outputStream.write(messageA.getBytes());
                   // 接收服务器的响应
                   byte[] buffer = new byte[1024];
                   int length = inputStream.read(buffer);
                   String response = new String(buffer, 0, length);
                   System.out.println("B: " + response);
                   messageA="";
               }
    //            // 关闭连接
    //            outputStream.close();
    //            inputStream.close();
    //            socket.close();
    
            } catch (IOException e) {
        
                System.out.println(e.getMessage());
            }
        }
    }

`服务端`

public class webServer  {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Scanner scanner=new Scanner(System.in);
            String messageB=""; //储存B发送的消息
            try {
        
                // 创建 ServerSocket，监听指定的端口
                ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
    
                System.out.println("服务启动，等待客户端连接... ");
    
                // 等待客户端连接
                Socket socket = serverSocket.accept();
    
                // 获取输入流和输出流
                InputStream inputStream = socket.getInputStream();
                OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
    
               while (true){
        
                   // 接收客户端发送的数据
                   byte[] buffer = new byte[1024];
                   int length = inputStream.read(buffer);
                   String message = new String(buffer, 0, length);
                   System.out.println("A: " + message);
    
                   System.out.print("输入消息："+'\t');
                   messageB=scanner.nextLine();
                   // 发送响应给客户端
                   outputStream.write(messageB.getBytes());
               }
    //            // 关闭连接
    //            outputStream.close();
    //            inputStream.close();
    //            socket.close();
    //            serverSocket.close();
    
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
    }

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`客户端`  
![在这里插入图片描述][fad4778d5cf4425f9ae9806148bf95c8.png]  
`服务端`  
![在这里插入图片描述][6626984b97db4f3fa608078b83d66dc3.png]

## 五、API函数 ##

**1.创建套接字──socket()**

SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol)

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：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。这里分三种：

（1）一是TCP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。

（2）二是数据报式套接字(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，并且接收顺序混乱。网络文件系统（NFS）使用数据报式套接字。

（3）三是原始式套接字(SOCK\_RAW)该接口允许对较低层协议，如IP、ICMP直接访问。常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备。

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()系统调用实际上指定了相关五元组中的“协议”这一元。

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**2.指定本地地址──bind()**  
当一个套接字用socket()创建后，存在一个名字空间(地址族)，但它没有被命名。bind()将套接字地址（包括本地主机地址和本地端口地址）与所创建的套接字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。其调用格式如下：

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SOCKET\_ERROR。

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**3.建立套接字连接──connect()与accept()**

这两个系统调用用于完成一个完整相关的建立，其中connect()用于建立连接。accept()用于使服务器等待来自某客户进程的实际连接。

connect()的调用格式如下：

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

参数s是欲建立连接的本地套接字描述符。参数name指出说明对方套接字地址结构的指针。对方套接字地址长度由namelen说明。

如果没有错误发生，connect()返回0。否则返回值SOCKET\_ERROR。在面向连接的协议中，该调用导致本地系统和外部系统之间连接实际建立。

由于地址族总被包含在套接字地址结构的前两个字节中，并通过socket()调用与某个协议族相关。因此bind()和connect()无须协议作为参数。

accept()的调用格式如下：

SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);

参数s为本地套接字描述符，在用做accept()调用的参数前应该先调用过listen()。addr 指向客户方套接字地址结构的指针，用来接收连接实体的地址。addr的确切格式由套接字创建时建立的地址族决定。addrlen 为客户方套接字地址的长度（字节数）。如果没有错误发生，accept()返回一个SOCKET类型的值，表示接收到的套接字的描述符。否则返回值INVALID\_SOCKET。

accept()用于面向连接服务器。参数addr和addrlen存放客户方的地址信息。调用前，参数addr 指向一个初始值为空的地址结构，而addrlen 的初始值为0；调用accept()后，服务器等待从编号为s的套接字上接受客户连接请求，而连接请求是由客户方的connect()调用发出的。当有连接请求到达时，accept()调用将请求连接队列上的第一个客户方套接字地址及长度放入addr 和addrlen，并创建一个与s有相同特性的新套接字号。新的套接字可用于处理服务器并发请求。

四个套接字系统调用，socket()、bind()、connect()、accept()，可以完成一个完全五元相关的建立。socket()指定五元组中的协议元，它的用法与是否为客户或服务器、是否面向连接无关。bind()指定五元组中的本地二元，即本地主机地址和端口号，其用法与是否面向连接有关：在服务器方，无论是否面向连接，均要调用bind()，若采用面向连接，则可以不调用bind()，而通过connect()自动完成。若采用无连接，客户方必须使用bind()以获得一个唯一的地址。

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**4.监听连接──listen()**  
此调用用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。listen()需在accept()之前调用，其调用格式如下：

int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);

参数s标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号，服务器愿意从它上面接收请求。backlog表示请求连接队列的最大长度，用于限制排队请求的个数，目前允许的最大值为5。如果没有错误发生，listen()返回0。否则它返回SOCKET\_ERROR。

listen()在执行调用过程中可为没有调用过bind()的套接字s完成所必须的连接，并建立长度为backlog的请求连接队列。

调用listen()是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。它在调用socket()分配一个流套接字，且调用bind()给s赋于一个名字之后调用，而且一定要在accept()之前调用。

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**5.数据传输──send()与recv()**  
当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有send()和recv()。

send()调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上发送输出数据，格式如下：

int PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);

参数s为已连接的本地套接字描述符。buf 指向存有发送数据的缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否发送带外数据等。如果没有错误发生，send()返回总共发送的字节数。否则它返回SOCKET\_ERROR。

recv()调用用于s指定的已连接的数据报或流套接字上接收输入数据，格式如下：

int PASCAL FAR recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);

参数s 为已连接的套接字描述符。buf指向接收输入数据缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否接收带外数据等。如果没有错误发生，recv()返回总共接收的字节数。如果连接被关闭，返回0。否则它返回SOCKET\_ERROR。

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**6.输入/输出多路复用──select()**  
select()调用用来检测一个或多个套接字的状态。对每一个套接字来说，这个调用可以请求读、写或错误状态方面的信息。请求给定状态的套接字集合由一个fd\_set结构指示。在返回时，此结构被更新，以反映那些满足特定条件的套接字的子集，同时， select()调用返回满足条件的套接字的数目，其调用格式如下：

int PASCAL FAR select(int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout);

参数nfds指明被检查的套接字描述符的值域，此变量一般被忽略。

参数readfds指向要做读检测的套接字描述符集合的指针，调用者希望从中读取数据。参数writefds 指向要做写检测的套接字描述符集合的指针。exceptfds指向要检测是否出错的套接字描述符集合的指针。timeout指向select()函数等待的最大时间，如果设为NULL则为阻塞操作。select()返回包含在fd\_set结构中已准备好的套接字描述符的总数目，或者是发生错误则返回SOCKET\_ERROR。

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**7.关闭套接字──closesocket()**

closesocket()关闭套接字s，并释放分配给该套接字的资源；如果s涉及一个打开的TCP连接，则该连接被释放。closesocket()的调用格式如下：

BOOL PASCAL FAR closesocket(SOCKET s);

参数s待关闭的套接字描述符。如果没有错误发生，closesocket()返回0。否则返回值SOCKET\_ERROR。

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