Socket通信過程原理及相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用

王進(jìn)文

摘 要：通過介紹Socket的基本組成結(jié)構(gòu)及其發(fā)揮的作用，論述Socket通信的整個過程并用C語言加以簡要實(shí)現(xiàn)，以闡明Socket通信過程原理及相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用。

關(guān)鍵詞：Socket；網(wǎng)絡(luò)通信；進(jìn)程通信

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 Socket基本組成結(jié)構(gòu)

Socket是相同主機(jī)進(jìn)程之間或者不同主機(jī)進(jìn)程之間進(jìn)行通信的主流手段之一，兩臺計算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)通信可以通過在各自的系統(tǒng)中創(chuàng)建一個Socket，進(jìn)而利用它來實(shí)現(xiàn)相互之間的通信。

那Socket究竟是什么呢？一個基本的Socket就是由本機(jī)IP，本機(jī)進(jìn)程端口，目的IP，和目的進(jìn)程端口，以及輸入輸出緩沖組成的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中前四個屬性分別用來標(biāo)識本機(jī)信息和目的計算機(jī)的信息，輸入輸出緩沖用來暫存保存通信的數(shù)據(jù)。

2 Socket通信連接步驟

Socket連接建立之前主要進(jìn)行兩項(xiàng)工作，第一項(xiàng)是連接建立前的兩個Socket的初始化工作，第二個是兩臺計算機(jī)通信時的“三路握手”。下面詳細(xì)說明這兩個過程（假設(shè)兩臺通信的計算機(jī)為客戶端-服務(wù)器模型，調(diào)用中用到的參數(shù)，請自行查看相關(guān)API）：

（1）兩個Socket的初始化。

服務(wù)器端

首先，用C語言通過系統(tǒng)調(diào)用socket（）函數(shù)來創(chuàng)建套接口。通過以下程序段便可以建立一個用TCP的Socket：

int listensockfd=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，IPPROTO_TCP）

其次，通過系統(tǒng)調(diào)用int bind （）函數(shù)來初始化Socket中的本地IP地址和本地端口號。通過以下語句，便可以初始化服務(wù)器端的Socket：

bind（ listensockfd， （struct sockaddr*） &saServer， sizeof（saServer））；

最后，我們通過系統(tǒng)調(diào)用listen（）函數(shù)來將已經(jīng)綁定了本機(jī)IP地址和程序端口號的Socket的狀態(tài)由主動（positive）轉(zhuǎn)換為被動（passive）（只有處于被動的Socket才會接受對方的信息）。并調(diào)用accept（）函數(shù)來獲取已經(jīng)準(zhǔn)備好的套接字準(zhǔn)備收取數(shù)據(jù)。通過以下程序段，便可以啟動監(jiān)聽Socket，并返回Q1隊(duì)列中和客戶端“三路握手”完成的套接字，如圖1所示。

listen（ listensockfd， 5 ）；

int acceptSocket = accept（ listenSocketfd， NULL， NULL ）；

客戶端

通過Socket系統(tǒng)調(diào)用建立Socket，然后初始化客戶端的IP地址和端口號，并通過connect（）函數(shù)將初始化好的IP地址和端口號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)綁定在新建的Socket上，與服務(wù)器端不同的是這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是為了初始化客戶端的IP地址和進(jìn)程端口，如圖1所示。

（2）兩臺計算機(jī)通信時的“三路握手”

第一次握手：客戶端調(diào)用connect（）函數(shù)將目的地（服務(wù)器端）的IP地址和進(jìn)程端口初始化的同時，給內(nèi)核運(yùn)輸層發(fā)出指令，使其將封裝好（其中包含完整的四元組）的數(shù)據(jù)包（同步包，下面簡稱SYN包），通過更底層的協(xié)議層向目的地（服務(wù)器端）傳送，以發(fā)出請求。

第二次握手：當(dāng)目的地（服務(wù)器端）收到客戶端發(fā)送的SYN包時，如果請求可以通過，服務(wù)器端也通過運(yùn)輸層封裝好一個包含通過請求的SYN+ACK包，否則封裝一個拒絕請求的SYN+NACK包發(fā)送給客戶端，于此同時，服務(wù)器內(nèi)核自動創(chuàng)建一個Socket，并將已將創(chuàng)建好的監(jiān)聽套接口的本地IP地址和進(jìn)程端口拷貝到新創(chuàng)建的Socket中的本地IP地址和進(jìn)程端口中，將第一次握手過程中的SYN包中的客戶端的IP地址和端口號拷貝在新創(chuàng)建的Socket中的目的地IP地址和端口號中，然后將新創(chuàng)建的Socket放入監(jiān)聽Socket中的Q0隊(duì)列（用于放置內(nèi)核為服務(wù)器和不同客戶端通信創(chuàng)建的未完成“三路握手”Socket）中。

第三次握手：當(dāng)客戶端收到服務(wù)器端回應(yīng)的SYN+ACK包時，客戶端需要再返回給服務(wù)器一個SYN包表示已經(jīng)收到SYN+ACK包，與此同時，服務(wù)器將剛才放入Q0隊(duì)列的Socket放入監(jiān)聽套接口的Q1隊(duì)列中（用于放置內(nèi)核為服務(wù)器和不同客戶端通信創(chuàng)建的已經(jīng)完成“三路握手”Socket），而客戶端通過系統(tǒng)調(diào)用accept（）正是獲取的Q1隊(duì)列中的套接字。如圖2所示。

3 通過socke進(jìn)行通信

服務(wù)器端通過系統(tǒng)調(diào)用recv（）進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，客戶端可以通過調(diào)用send（）進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

以下便是整個Socket通信的流程圖，如圖2所示。

參考文獻(xiàn)

[1] Jesse Storimer. TCP Sockets編程[M].北京：人民郵電出版社，2013.