TCP/IP的Socket編程

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1. TCP/IP、UDP的基本概念

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即傳輸控制通訊協定/網間協議，他是一個工業標準的協議集，它是為廣域網路設計的。其中包含了很多其他的協議，不過以TCP和IP協議為代表。UDP(User Data Protocl)，即使用者資料包通訊協定，是與TCP相對應的協議，它屬於TCP/IP協議族中的一個。TCP/IP進行資料轉送主要分為兩個過程：建立串連過程和資料轉送過程。

• TCP/IP協議通過三向交握建立一個可靠的串連，步驟：
  • 第一次握手：建立串連時，用戶端發送syn包(syn=j)到伺服器，並進入SYN_SEND狀態，等待伺服器確認；
  • 第二次握手：伺服器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時自己也發送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時伺服器進入SYN_RECV狀態；
  • 第三向交握：用戶端收到伺服器的SYN＋ACK包，向伺服器發送確認包ACK(ack=k+1)，此包發送完畢，用戶端和伺服器進入ESTABLISHED狀態，完成三向交握。
    
    
• 資料轉送過程：發送端發送資料，然後進入等待ACK確定訊號狀態，隨後接收端接收到資料，發送ACK確認訊號，發送端接收到ACK後才發送下一組資料，同時發送端有一個定時器，定時時間到了沒有接收到ACK，就認為發送失敗了，進行重新發送。因為發送端發送完資料後處於等待狀態，因此為了提高效率，引入“滑動視窗”的概念，就是發送的時候一次發送多組資料，相當於視窗的大小，然後當接收到第一個ACK後，就將視窗向後移動一個資料，就形成了滑動視窗的情況。

下表顯示了協議間的關係：

  

 

2. Socket的基本概念

Socket是應用程式層與TCP/IP協議族通訊的中間軟體抽象層，它是一組介面，在設計模式中，Socket就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在了Scoket介面的後面，讓Socket去組織資料，以符合指定的協議。

3. Socket的使用

舉個簡單的例子先：你要打電話給一個朋友，先撥號，朋友聽到電話鈴聲後提取電話，這時你和你的朋友就建立起了串連，就可以講話了，等交流結束，掛斷電話結束此次交談，這個生活情境的例子就解釋了TCP/IP的工作原理和流程，其具體的流程圖如下所示：

伺服器端工作流程：

• 使用WSAStartup()函數檢查系統協議棧安裝情況
• 使用socket()函數建立伺服器端通訊套介面
• 使用bind()函數將建立的套介面與伺服器位址綁定
• 使用listen()函數使伺服器套介面做好接收串連請求準備
• 使用accept()接收來自用戶端由connect()函數發出的串連請求
• 根據串連請求建立連結後，使用send()還念書發送資料，或者使用recv()函數接收資料
• 使用closesocket()函數關閉套介面（可以先用shutdown()函數吸納關閉讀寫通道）
• 最後調用WSACleanup()函數結束Winsock Sockets API

  用戶端工作流程

• 使用WSAStartup()函數檢查系統協議棧安裝情況
• 使用socket()函數建立用戶端套介面
• 使用connect()函數發出與伺服器建立串連的請求（調用前可以不用bind()連接埠號碼，由系統自動完成）
• 串連建立後使用send()函數發送資料，或使用recv()函數接收資料
• 是喲個closesocket()函數關閉套介面
• 最後掉壓迫能夠WSACleanup()函數，結束Winsock Sockets API

4. Socket的send和recv函數

socket的發送和接收緩衝區是兩個相互獨立的緩衝區。socket的send和recv函數分為阻塞模式的和非阻塞模式的，在定義socket的時候，預設設定為了阻塞模式，而後如果想要改變為非阻塞模式，只需使用ioctlsocket函數進行設定即可。非阻塞模式一旦調用即刻返回，因此如果傳輸資料較為稀疏，則會經常返回失敗資訊，為此一般使用迴圈來接收資料。而常用的方式是阻塞模式，send函數沒啥問題，而recv函數一般配合select函數，可以做到雖然recv是阻塞的，但是合起來的效果是阻塞一段時間的方式。下面給出send和recv函數的工作流程。

1. 阻塞模式下的send和recv函數

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

不論是客戶還是伺服器應用程式都用send函數來向TCP串連的另一端發送資料。

客戶程式一般用send函數向伺服器發送請求，而伺服器則通常用send函數來向客戶程式發送應答。

該函數的第一個參數指定發送端通訊端描述符；

第二個參數指明一個存放應用程式要發送資料的緩衝區；

第三個參數指明實際要發送的資料的位元組數；

第四個參數一般置0。

這裡只描述同步Socket的send函數的執行流程。當調用該函數時，send先比較待發送資料的長度len和通訊端s的發送緩衝的長度，如果len大於s的發送緩衝區的長度，該函數返回SOCKET_ERROR；如果len小於或者等於s的發送緩衝區的長度，那麼send先檢查協議 是否正在發送s的發送緩衝中的資料，如果是就等待協議把資料發送完，如果協議還沒有開始發送s的發送緩衝中的資料或者s的發送緩衝中沒有資料，那麼 send就比較s的發送緩衝區的剩餘空間和len，如果len大於剩餘空間大小send就一直等待協議把s的發送緩衝中的資料發送完，如果len小於剩餘 空間大小send就僅僅把buf中的資料copy到剩餘空間裡（注意並不是send把s的發送緩衝中的資料傳到串連的另一端的，而是協議傳的，send僅僅是把buf中的資料copy到s的發送緩衝區的剩餘空間裡）。如果send函數copy資料成功，就返回實際copy的位元組數，如果send在copy資料時出現錯誤，那麼send就返回SOCKET_ERROR；如果send在等待協議傳送資料時網路斷開的話，那麼send函數也返回SOCKET_ERROR。

要注意send函數把buf中的資料成功copy到s的發送緩衝的剩餘空間裡後它就返回了，但是此時這些資料並不一定馬上被傳到串連的另一端。

注意：在Unix系統下，如果send在等待協議傳送資料時網路斷開的話，調用send的進程會接收到一個SIGPIPE訊號，進程對該訊號的預設處理是進程終止。

 

 

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

不論是客戶還是伺服器應用程式都用recv函數從TCP串連的另一端接收資料。

該函數的第一個參數指定接收端通訊端描述符；

第二個參數指明一個緩衝區，該緩衝區用來存放recv函數接收到的資料；

第三個參數指明buf的長度；

第四個參數一般置0。

這裡只描述同步Socket的recv函數的執行流程。當應用程式調用recv函數時，recv先等待s的發送緩衝 中的資料被協議傳送完畢，如果協議在傳送s的發送緩衝中的資料時出現網路錯誤，那麼recv函數返回SOCKET_ERROR，如果s的發送緩衝中沒有數 據或者資料被協議成功發送完畢後，recv先檢查通訊端s的接收緩衝區，如果s接收緩衝區中沒有資料或者協議正在接收資料，那麼recv就一直等待，只到 協議把資料接收完畢。當協議把資料接收完畢，recv函數就把s的接收緩衝中的資料copy到buf中（注意協議接收到的資料可能大於buf的長度，所以 在這種情況下要調用幾次recv函數才能把s的接收緩衝中的資料copy完。recv函數僅僅是copy資料，真正的接收資料是協議來完成的），recv函數返回其實際copy的位元組數。如果recv在copy時出錯，那麼它返回SOCKET_ERROR；如果recv函數在等待協議接收資料時網路中斷了，那麼它返回0。

2. 非阻塞模式

非阻塞模式就是一旦調用，如果不滿足copy條件，則函數馬上返回失敗資訊。

5. Winsock編程流程（以伺服器端為例）

1. 使用WSAStartup()裝載檢查TCP/IP協議

2. 建立通訊端，有三種類型的通訊端供選擇：流式通訊端（用於TCP），資料通訊端（UDP）和原始通訊端（底層協議）

3. 將建立好的通訊端和IP地址以及連接埠進行綁定

4. 使用getsockopt獲得套介面的參數，使用setsockopt設定套介面的參數（主要設定套介面的收發緩衝大小），使用ioctlsocket

設定阻塞還是非阻塞的模式（這裡的阻塞和非阻塞模式指的是API函數是否調用完馬上返回）

5. 進行通訊，在通訊的部分，windows socket給我們提供了五種I/O模型用於收發通訊：（他們都可以和阻塞或非阻塞函數一起

使用）

a. select模型，常用的模型，以select函數為核心，可以監控套介面是否有資料收發。它是同步模型。

b. WSAAsyncSelect模型，非同步I/O模型，利用windows的訊息機制實現非同步接收，需要有視窗接收訊息，只有接收資料是

非同步。

c. WSAEventSelect 模型，非同步I/O模型，通過事件觸發來實現非同步接收，它不需要接收視窗。

 

d. 重疊模型：比較完美的模型。

e. 完成連接埠：最為複雜的I/O模型，當需要一個進程管理很多的套介面的時候，很適合使用這種模型。

6. 使用closesocket()函數關閉套介面的收發。

7. 使用WSACleanup()函數卸載TCP/IP協議。 

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