Socket 简介

1. 实验介绍

1.1 实验内容

本节实验主要是对前一节 TCP/IP 协议的补充，主要讲解了在网络通信过程中常用到的 Socket 套接字，通过对套接字的介绍能够对网络通信有更全面的理解。本节实验主要涉及到了 Socket 的函数、Socket 的通信和 Socket 的应用。

1.2 实验知识点

Socket 介绍
Socket 函数
Socket 通信
Socket 应用

2. Socket 介绍

2.1 Socket 概述

套接字（socket）是支持 TCP/IP 协议的网络通信的基本操作单元。也是网络通信过程中端点的抽象表示，包含网络通信必须的五种信息：连接使用的协议，本地主机的 IP 地址，本地进程的协议端口，远地主机的 IP 地址，远地进程的协议端口。

而我们知道在本地进行进程间通信可以通过 PID(progress ID )来进行唯一标识，但是若继续沿用 PID 来标识网络中的通信就会发生很大几率的冲突。因此， Socket 套接字就是用来对网络中的进程进行唯一的标识，主要格式： IP 地址 + 协议 + 端口号

2.2 Socket 抽象层的体系结构

前一节实验我们知道了 TCP/IP 协议族包括：应用层、网络层、传输层和网络接口层，而 Socket 所在位置如图所示，Socket 是应用层与 TCP/IP 协议族通信的中间的一个软件抽象层。

3. Socket 函数

关于套接字我们常会在编程中使用到的三个函数，分别为 socket()，bind()，listen()

3.1 socket() 函数

创建 socket 需要指定三个参数分别为 domain，type，protocol。

domain：协议域也称为协议族，决定了 socket 的地址类型，在通信中必须采用对应的地址。常用的协议族包括：

AF_INET IPv4 协议
AF_INET6 IPv6 协议

type：指定 socket 类型。常见的类型包括：

SOCK_STREAM 字节流套接字
SOCK_DGRAM 数据报套接字
SOCK_RAW 原始套接字

protocol：指定协议。常用的协议包括：

IPPROTO_TCP TCP 传输协议
IPPTOTO_UDP UDP 传输协议

3.2 bind() 函数

bind() 函数主要是把地址族中的特定地址赋给 socket。

参数说明：

sockfd ：socket 描述字，是通过 socket() 函数创建的唯一标识的一个 socket。
addr：是一个 const struct sockaddr 指针，指向需要绑定给 sockfd 的协议地址。地址结构也会根据地址创建 socket 的地址协议族的不同而不同。
addrlen：地址长度。

3.3 listen() 函数

主要用来监听 socket，如果客户端这时调用 connect() 发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

参数说明：

sockfd：需要监听的 socket 描述字
backlog：相应的 socket 可以排队的最大连接个数。

注：socket() 函数创建的 socket 默认是一个主动类型，listen() 函数将 socket 变为被动类型的，来等待客户的连接请求。

3.4 connect() 函数

调用 connect() 函数主要是用来发出连接请求，然后服务器端就接收到这个请求。其中，客户端通过调用 connect() 函数来建立与 TCP 服务器的连接。

参数说明：

sockfd：客户端的 socket 描述字
addr：服务器的 socket 地址
addrlen：socket 地址的长度

3.5 accept() 函数

TCP 服务器端依次调用 socket()、bind()、listen() 后，就会监听指定的 socket 地址。而 TCP 客户端依次调用 socket()、connect() 后就向 TCP 服务器发送了一个连接请求。TCP 服务器监听到这个请求之后，就会调用 accept() 函数取接收请求，这样连接就建立好了。

参数说明：

sockfd：监听套接字，主要用来监听一个端口。
addr：一个结果参数，用来接受返回值，返回值指定客户端的地址，如果不感兴趣可以将返回值设置为 NULL。
addrlen：主要用来标识 addr 结构的大小，即所占的字节个数。

如果 accept 返回成功，那么客户端和服务器建立连接，服务器通过返回的 socket 返回字来完成后续和客户端的通信。

3.6 read()/write() 函数

在客户端和服务器建立连接后，通过调用 read()/write() 函数进行网络 I/O 的读写操作，完成进程间的通信。

在多数情况下，推荐使用的读写函数是 recvmsg()/sendmsg() 函数。

3.7 close() 函数

在完成读写操作后就需要关闭相应的 socket 描述字，因此这里就用到了 close()函数。

当 socket 标记为已关闭，只是改变相应 socket 描述字的引用计数，当引用计数变为 0 的时候，触发 TCP 客户端向服务器发送终止连接请求。

4. 服务器/客户端交互流程

在实现网络间的通信交流，以及数据交换这一过程中，socket 将进行通信连接的两端划分为服务器端和客户端，服务器端在一个端口上进行监听请求，一旦有客户端的访问请求，服务器端就会和客户端进行通信，交换数据。

可以通过下面这个流程来直观了解一下这个过程：

5. Socket 应用

5.1 Socket 编程应用

在实现应用程序访问下层网络服务是，就会用到 Socket 这个端口来完成不同主机间的通信，从而实现数据交换。

我们通过两个简单的 python 小程序，来实现客户机和服务器间的通信。（后面会有章节详细介绍 python 编程，本实验可以先初步感受一下）

通过 vim 编辑器分别编写服务器端和客户端的 python 程序。

服务器端：

Server.py

# coding=utf-8

import socket  # 加载 socket 模块

HOST = '127.0.0.1'  # 设置 HOST IP 地址
PORT = 1234        # 设置端口号

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  # 定义 socket 类型，网络通信，TCP
s.bind((HOST, PORT))  # socket 绑定的 IP 与端口
s.listen(1)  # 开始TCP监听

while 1:
    conn, addr = s.accept()  # 接受 TCP 连接，并返回新的 socket 与 IP 地址
    print'Connected by', addr  # 输出客户端的IP地址
    while 1:
        data = conn.recv(100)  # 把接收的数据实例化
        print(data)
        conn.sendall(data)

conn.close()  # 关闭连接

客户端：

Client.py

# coding=utf-8

import socket  # 加载 socket 模块
import time    # 加载系统时间模块

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 1234

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  # 定义 socket 类型，网络通信，TCP  
s.connect((HOST, PORT))  # 要连接的 IP 与端口

while 1:  
    s.sendall('this is python socket')  # 把命令发送给对方端口
    data = s.recv(1024)  # 把接收的数据定义为变量
    print (data)  # 输出变量
    time.sleep(3)  #设置休眠时间

s.close()  # 关闭连接

编写好之后，打开两个终端分别运行 Server.py 和 Client.py 程序。

$ python Server.py
$ python Client.py

运行成功后可以在终端看到服务器端和客户端每隔 3 秒（设置的休眠时间）就会进行一次通信，输出信息。

Socket 编程示例操作演示视频：

6. 总结

通过本节实验大家可以对 socket 套接字有一个全面的认识，同时初步了解了它在网络通信中的作用和重要性，以及通过一个简单的 Python 例子实践 socket 编程。

Socket 简介

Socket 简介

1. 实验介绍

1.1 实验内容

1.2 实验知识点

2. Socket 介绍

2.1 Socket 概述

2.2 Socket 抽象层的体系结构

3. Socket 函数

3.1 socket() 函数

3.2 bind() 函数

3.3 listen() 函数

3.4 connect() 函数

3.5 accept() 函数

3.6 read()/write() 函数

3.7 close() 函数

4. 服务器/客户端交互流程

5. Socket 应用

5.1 Socket 编程应用

6. 总结

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