SM2算法第五篇：socket的基本原理与实现

一、为什么要用到socket？

我的毕设题目是要实现客户端与服务器之间的秘钥协商，也就是说，我需要用到客户端与服务器之间通信的相关知识，而客户端与服务器通信用到的就是网络编程——socket。

二、socket简要介绍

1、什么是socket？

socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用，从而实现进程在网络中通信。

2、进程的标识

在TCP/IP协议中两个因特网主机通过两个路由器和对应的层连接。各主机上的应用通过一些数据通道相互执行读取操作



我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程，在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程，但PID只在本地唯一，网络中的
两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了。
我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用
地址＋协议＋端口号
唯一标示网络中的一个进程。能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了。

3、socket通信流程

step1：服务器根据地址类型（ipv4，ipv6）、socket类型、协议（TCP，UDP）创建socket

step2：服务器为socket绑定ip地址和端口号

step3：服务器socket监听端口号请求，随时准备接收客户端发来的连接，这时候服务器的socket并没有被打开

step4：客户端创建socket

step5：客户端打开socket，根据服务器ip地址和端口号试图连接服务器socket

step6：服务器socket接收到客户端socket请求，被动打开，开始接收客户端请求，直到客户端返回连接信息。这时候socket进入阻塞状态，所谓阻塞即accept()方法一直到客

户端返回连接信息后才开始接收下一个客户端连接请求

step7：客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息

step8：服务器accept方法返回，连接成功

step9：客户端向socket写入信息

step10：服务器读取信息

step11：客户端关闭

step12：服务器端关闭

4、socket建立连接的实质——三次握手

第一次握手：客户端尝试连接服务器，向服务器发送syn包（同步序列编号Synchronize Sequence Numbers），syn=j，客户端进入SYN_SEND状态等待服务器确认

第二次握手：服务器接收客户端syn包并确认（ack=j+1），同时向客户端发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

服务器socket与客户端socket建立连接的实质就是三次握手

5、socket编程API

（1）socket——根据指定的地址族、数据类型和协议来分配一个socket的描述字及其所用的资源。

int socket(int domain, int type, int protocol);

domain:协议族，常用的有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL、AF_ROUTE其中AF_INET代表使用ipv4地址

type:socket类型，常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等

protocol:协议，常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等

（2）bind——把一个地址族中的特定地址赋给socket

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

sockfd：socket描述字，也就是socket引用

addr：要绑定给sockfd的协议地址

addrlen：地址的长度

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端

口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

（3）litsen——监听socket

int listen(int sockfd, int backlog);

sockfd：要监听的socket描述字

backlog：相应socket可以排队的最大连接个数 

（4）connect——连接某个socket

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

sockfd：客户端的socket描述字

addr：服务器的socket地址

addrlen：socket地址的长度

（5）accept——TCP服务器监听到客户端请求之后，调用accept()函数接收请求

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

sockfd：服务器的socket描述字

addr：客户端的socket地址

addrlen：socket地址的长度

（5）read——读取socket的内容

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

fd：socket描述字

buf：缓冲区

count：缓冲区长度

（6）write——向socket写入内容（即需要发送的内容）

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

fd：socket描述字

buf：缓冲区

count：缓冲区长度

（7）close——将socket标记为关闭

int close(int fd);

将socket标记为关闭 ，使相应socket描述字的引用计数-1，当引用计数为0的时候，触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

三、C语言实现

1、server端代码

#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>

int main(void)
{
int len = 0;
WSADATA wd;
int ret = 0;
SOCKET s,c;
char sendBuf[1000]="", recvBuf[1000]="";
SOCKADDR_IN saddr, caddr;
ret = WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wd); /*1.初始化操作*/

if(ret != 0)
{
return 0;
}
if(HIBYTE(wd.wVersion)!=2 || LOBYTE(wd.wVersion)!=2)
{
printf("初始化失败");
WSACleanup();
return 1;
}

/*2.创建服务端socket*/
s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

/*3.设置服务端信息*/
saddr.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);
saddr.sin_family = AF_INET; /*协议类型*/
saddr.sin_port = htons(8888);

/*4.绑定在本地端口*/
bind(s, (SOCKADDR *)&saddr, sizeof(SOCKADDR));

/*5.监听端口*/
listen(s,5);

len = sizeof(SOCKADDR);

while(1)
{
/*6.等待客户端连接，会阻塞在此处，直到有客户端连接到来。*/
c = accept(s, (SOCKADDR*)&caddr, &len);

sprintf(sendBuf, "来自服务器的响应，您的ip地址为：%s\n", inet_ntoa(caddr.sin_addr));

/*7.发送数据到客户端*/
send(c, sendBuf, strlen(sendBuf)+1, 0);

/*8.接受客户端的返回*/
recv(c, recvBuf, 1000, 0);

/*9.打印出客户端发送来的数据*/
printf("%s\n", recvBuf);

/*10.如果不再跟这个客户端联系，就关闭它*/
closesocket(c);
}
/*如果有退出循环的条件，这里还需要清除对socket库的使用*/
/* WSACleanup();*/
return 0;
}

2、clent端代码

#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>

int main(void)
{
WSADATA wd;
int ret = 0;
SOCKET c;
char recvBuf[1000]="", sendBuf[1000]="";
SOCKADDR_IN saddr;
ret = WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wd); /*1.初始化操作*/

if(ret != 0)
{
return 0;
}

if(HIBYTE(wd.wVersion)!=2 || LOBYTE(wd.wVersion)!=2)
{
printf("初始化失败");
WSACleanup();
return 1;
}

/*2.创建客户端socket*/
c = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

/*3.定义要连接的服务端信息*/
saddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_port = htons(8888);

/*4.连接服务端*/
connect(c, (SOCKADDR*)&saddr, sizeof(SOCKADDR));
recv(c, recvBuf, 1000, 0);
printf("服务端发来的数据:%s\n", recvBuf);

sprintf(sendBuf, "服务端你好！！！");
send(c, sendBuf, strlen(sendBuf)+1, 0);

closesocket(c);
WSACleanup();

return 0;
}

3、运行结果