一、TCP/IP与Socket介绍

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。下面是他们三者的关系：
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图 TCP与Socket在网络传输的位置
可以看出TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。socket是一个接口，在用户进程与TCP/IP协议之间充当中间人，完成TCP/IP协议的书写，用户只需理解接口即可。
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。
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二、Socket 常用API (Linux/Unix系统)

1、socket() 创建socket描述符

  1. int socket(int domain, int type, int protocol);                     //成功返回非负描述符，失败返回-1
  2. • domain：即协议域，又称为协议族（family）
  3. • domain：即协议域，又称为协议族（family）
  4. AF_INET                        //IPV4地址
  5. AF_INET6                       //IPV6地址
  6. AF_LOCAL                    //AF_UNIX，本地通信用，在内核中通信
  7. AF_LOCAL                    //AF_UNIX

表 Socket domain
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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，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。

  1. • type：信息传送方式
  2. SOCK_STREAM                     //数据流socket：提供可靠的、双向的字节流通信信道
  3. SOCK_DGRAM                       //数据报socket：保留数据边界，传输不可靠，数据可能无序或丢失
  4. SOCK_RAW
  5. SOCK_RAW
  6. SOCK_PACKET
  7. • protocol：对应协议。
  8. IPPROTO_TCP TCP传输协议
  9. IPPTOTO_UDP UDP传输协议
  10. IPPROTO_SCTP STCP传输协议
  11. IPPROTO_TIPCTIPC传输协议

注意：通常设置为0,让其自动匹配。
我的理解就是：
domain 网络层相关协议 type 信息传送方式 protocol 运输层相关协议，如果前两个都确定了，系统就可以自动选择协议了。

2、bind()绑定实际地址

  1. int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  2. //返回值：成功则为0，失败为-1
  3. • sockfd 一般服务端才需要绑定，客户端由系统内核解决
  4. • addr 所有协议都有一个公共的结构叫做const struct sockaddr,不同协议对应不同的具体结构，结构如下：
  5. • sockfd 一般服务端才需要绑定，客户端由系统内核解决
  6. sa_family_t sin_family;//地址族
  7. 　　 char sa_data[14]; //14字节，包含套接字中的目标地址和端口信息
  8. 　　 };

可以看出，我们端口和目标地址放在同一数组中，不太容易使用。对于不同的协议，我们会通过另一种特定的结构体的来完成初始化，再通过强制类型转换，来使用bind函数。
强制转换第二个地址参数为const sockaddr *

  1. (const sockaddr *)sockaddr_in;
  2. (const sockaddr *)sockaddr_in6;
  3. (const sockaddr *)sockaddr_un;

ipv4结构体(最常用)

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family;
    in_port_t sin_port;                                       //typedef    __uint16_t        in_port_t;
    struct in_addr sin_addr;
};
struct in_addr {
    uint32_t s_addr;
};
  • ipv6结构体
    struct sockaddr_in6 {
sa_family_t sin6_family;
in_port_t sin6_port;
uint32_t sin6_flowinfo;
struct in6_addr sin6_addr;
uint32_t sin6_scope_id;
};
struct in6_addr {
unsigned char s6_addr[16];
};
  • addrlen：协议结构体大小

通常使用sizeof运算符计算

sizeof(sockaddr_in);          //IPv4 in:internet
sizeof(sockaddr_in6);        //IPv6
sizeof(sockaddr_un);         //本地 un:unix
};

3、服务端监听listen( )

int listen(int sockfd, int backlog);      //返回值：成功则为0，失败为-1

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的 socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

4、服务端接受链接accept （）

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

//返回值：成功则为0，失败为-1
第一个参数为服务器的socket描述字，
第二个参数为指向struct sockaddr 的指针，用于返回客户端的协议地址
第二个参数为指向
如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。后面的*读写操作都是根据这个返回值来完成的。

5、客户端connect()链接

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);                   //返回值：成功则为0，失败为-1

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

6、write（）和read（）

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd。成功时返回写的字节数。失败时返回-1.。并设置errno变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有两可能。
1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。这样我们用一个while循环来不停的写入，但是循环过程中的buf参数和nbyte参数得由我们来更新。也就是说，网络写函数是不负责将全部数据写完之后在返回的。
2)返回的值小于0。此时出现了错误，我们要根据错误类型来处理。
如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。
为了处理以上的情况,可以自己编写一个写函数来处理这几种情况。
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t nbyte)
read函数是负责从fd中读取内容.当读成功 时，read返回实际所读的字节数,如果返回的值是0 表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误.如果错误为EINTR说明读是由中断引起 的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

7、send（）和recv（）

int send(nt sockfd,void *buf,int len,int flags)
int recv(int sockfd,void *buf,int len,int flags)

前面的三个参数和read,write一样,第四个参数可以是0或者是以下的组合

MSG_DONTROUTE 不查找表
MSG_OOB 接受或者发送带外数据
MSG_PEEK 查看数据，并不从系统缓冲区移走数据
MSG_WAITALL 等待所有数据

MSG_DONTROUTE：是send函数使用的标志。这个标志告诉IP。目的主机在本地网络上面，没有必要查找表。这个标志一般用网络诊断和路由程序里面。
MSG_OOB：表示可以接收和发送带外的数据。
MSG_PEEK：是recv函数的使用标志，表示只是从系统缓冲区中读取内容，而不清除系统缓冲区的内容。这样下次读的时候，仍然是一样的内容.一般在有多个进程读写数据时可以使用这个标志。
MSG_WAITALL是recv函数的使用标志，表示等到所有的信息到达时才返回。使用这个标志的时候recv回一直阻塞，直到指定的条件满足，或者是发生了错误。
1)当读到了指定的字节时，函数正常返回。返回值等于len
2)当读到了文件的结尾时，函数正常返回。返回值小于len
3)当操作发生错误时，返回-1，且设置错误为相应的错误号(errno)。

8、close（）关闭服务

int close(int fd);                       //返回值：成功则为0，失败为-1

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read、write或send、recv的第一个参数。
注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。