套接字编程（Socket Programming）

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2023-12-01

什么是套接字？

Socket是一种Berkeley UNIX机制，用于在不同进程之间创建虚拟双工连接。随后将其移植到每个已知的OS上，使得能够跨越在不同OS软件上运行的地理位置的系统之间进行通信。如果不是套接字，系统之间的大多数网络通信永远不会发生。

仔细看看; 网络上的典型计算机系统根据其上运行的各种应用程序接收和发送信息。此信息被路由到系统，因为为其指定了唯一的IP地址。在系统上，此信息将提供给相关应用程序，这些应用程序可以侦听不同的端口。例如，因特网浏览器在端口80上侦听从Web服务器接收的信息。我们还可以编写可以监听和发送/接收特定端口号信息的自定义应用程序。

现在，让我们总结一下套接字是一个IP地址和一个端口，允许连接通过网络发送和接收数据。

为了解释上面提到的套接字概念，我们将以Perl为例进行客户端 - 服务器编程。要完成客户端服务器架构，我们必须执行以下步骤 -

创建服务器

使用socket调用创建socket 。
使用bind调用将套接字绑定到端口地址。
使用listen调用listen端口地址处的套接字。
使用accept调用接受客户端连接。

创建客户端

使用socket调用创建socket 。
使用connect调用将（套接字） connect到服务器。

下图显示了客户端和服务器用于彼此通信的完整调用序列 -

服务器端套接字调用

The socket() call

socket()调用是建立网络连接的第一个调用是创建套接字。此调用具有以下语法 -

socket( SOCKET, DOMAIN, TYPE, PROTOCOL );

上面的调用创建一个SOCKET，其他三个参数是整数，它们应具有以下TCP/IP连接值。

DOMAIN应该是PF_INET。你的电脑很可能是2。
对于TCP/IP连接， TYPE应为SOCK_STREAM。
PROTOCOL应该是(getprotobyname('tcp'))[2] 。通过套接字说出TCP等特定协议。

所以服务器发出的socket函数调用将是这样的 -

use Socket     # This defines PF_INET and SOCK_STREAM
socket(SOCKET,PF_INET,SOCK_STREAM,(getprotobyname('tcp'))[2]);

The bind() call

socket（）调用创建的套接字在绑定到主机名和端口号之前是无用的。服务器使用以下bind()函数指定它们将从客户端接受连接的端口。

bind( SOCKET, ADDRESS );

这里SOCKET是socket（）调用返回的描述符，ADDRESS是包含三个元素的套接字地址（用于TCP/IP） -

地址族（对于TCP/IP，即AF_INET，可能是系统上的2）。
端口号（例如21）。
计算机的互联网地址（例如10.12.12.168）。

由于服务器使用bind（），因此不需要知道自己的地址，因此参数列表如下所示 -

use Socket        # This defines PF_INET and SOCK_STREAM
$port = 12345;    # The unique port used by the sever to listen requests
$server_ip_address = "10.12.12.168";
bind( SOCKET, pack_sockaddr_in($port, inet_aton($server_ip_address)))
   or die "Can't bind to port $port! \n";

or die子句非常重要，因为如果服务器在没有未完成连接的情况下死亡，除非使用setsockopt()函数使用选项SO_REUSEADDR，否则端口将不会立即重用。这里使用pack_sockaddr_in()函数将端口和IP地址打包成二进制格式。

The listen() call

如果这是一个服务器程序，那么需要在指定的端口上发出listen()调用来监听，即等待传入的请求。此调用具有以下语法 -

listen( SOCKET, QUEUESIZE );

上面的调用使用socket（）调用返回的SOCKET描述符，而QUEUESIZE是同时允许的未完成连接请求的最大数量。

The accept() call

如果这是服务器程序，则需要发出对access()函数的调用以接受传入连接。此调用具有以下语法 -

accept( NEW_SOCKET, SOCKET );

accept调用接收socket（）函数返回的SOCKET描述符，并在成功完成后，为客户端和服务器之间的所有未来通信返回一个新的套接字描述符NEW_SOCKET。如果access（）调用失败，则返回FLASE，这是我们最初使用的Socket模块中定义的。

通常，accept（）用于无限循环。一旦一个连接到达，服务器就会创建一个子进程来处理它或自己提供服务，然后回去监听更多连接。

while(1) {
   accept( NEW_SOCKET, SOCKT );
   .......
}

现在，与服务器相关的所有呼叫都已结束，让我们看到客户端需要的呼叫。

客户端套接字调用

The connect() call

如果您要准备客户端程序，那么首先您将使用socket()调用来创建套接字，然后您必须使用connect()调用来连接到服务器。您已经看过socket（）调用语法，它将与服务器socket（）调用类似，但这里是connect()调用的语法 -

connect( SOCKET, ADDRESS );

这里SCOKET是客户端发出的socket（）调用返回的套接字描述符，ADDRESS是类似于bind调用的套接字地址，除了它包含远程服务器的IP地址。

$port = 21;    # For example, the ftp port
$server_ip_address = "10.12.12.168";
connect( SOCKET, pack_sockaddr_in($port, inet_aton($server_ip_address)))
   or die "Can't connect to port $port! \n";

如果您成功连接到服务器，则可以使用SOCKET描述符开始将命令发送到服务器，否则您的客户端将通过给出错误消息来发出。

客户端 - 服务器示例

以下是使用Perl套接字实现简单客户端 - 服务器程序的Perl代码。这里服务器侦听传入的请求，一旦建立连接，它只是Smile from the server回复Smile from the server 。客户端读取该消息并在屏幕上打印。假设我们的服务器和客户端在同一台机器上，让我们看看它是如何完成的。

创建服务器的脚本

#!/usr/bin/perl -w
# Filename : server.pl
use strict;
use Socket;
# use port 7890 as default
my $port = shift || 7890;
my $proto = getprotobyname('tcp');
my $server = "localhost";  # Host IP running the server
# create a socket, make it reusable
socket(SOCKET, PF_INET, SOCK_STREAM, $proto)
   or die "Can't open socket $!\n";
setsockopt(SOCKET, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
   or die "Can't set socket option to SO_REUSEADDR $!\n";
# bind to a port, then listen
bind( SOCKET, pack_sockaddr_in($port, inet_aton($server)))
   or die "Can't bind to port $port! \n";
listen(SOCKET, 5) or die "listen: $!";
print "SERVER started on port $port\n";
# accepting a connection
my $client_addr;
while ($client_addr = accept(NEW_SOCKET, SOCKET)) {
   # send them a message, close connection
   my $name = gethostbyaddr($client_addr, AF_INET );
   print NEW_SOCKET "Smile from the server";
   print "Connection recieved from $name\n";
   close NEW_SOCKET;
}

要以后台模式运行服务器，请在Unix提示符下发出以下命令 -

$perl sever.pl&

创建客户端的脚本

!/usr/bin/perl -w
# Filename : client.pl
use strict;
use Socket;
# initialize host and port
my $host = shift || 'localhost';
my $port = shift || 7890;
my $server = "localhost";  # Host IP running the server
# create the socket, connect to the port
socket(SOCKET,PF_INET,SOCK_STREAM,(getprotobyname('tcp'))[2])
   or die "Can't create a socket $!\n";
connect( SOCKET, pack_sockaddr_in($port, inet_aton($server)))
   or die "Can't connect to port $port! \n";
my $line;
while ($line = <SOCKET>) {
   print "$line\n";
}
close SOCKET or die "close: $!";

现在让我们在命令提示符下启动我们的客户端，它将连接到服务器并读取服务器发送的消息，并在屏幕上显示如下 -

$perl client.pl
Smile from the server

NOTE - 如果您以点表示法提供实际IP地址，则建议在客户端和服务器中以相同格式提供IP地址，以避免混淆。