linux服务器开发三(网络编程) --二

半关闭
  • 当TCP链接中A发送FIN请求关闭,B端回应ACK后(A端进入FIN_WAIT_2状态),B没有立即发送FIN给A时,A方处在半链接状态,此时A可以接收B发送的数据,但是A已不能再向B发送数据。
  • 从程序的角度,可以使用API来控制实现半连接状态。
  1. #include <sys/socket.h>
  2. int shutdown(int sockfd, int how);
  3. sockfd: 需要关闭的socket的描述符
  4. how: 允许为shutdown操作选择以下几种方式:
  5. SHUT_RD(0): 关闭sockfd上的读功能,此选项将不允许sockfd进行读操作。
  6. 该套接字不再接受数据,任何当前在套接字接受缓冲区的数据将被无声的丢弃掉。
  7. SHUT_WR(1): 关闭sockfd的写功能,此选项将不允许sockfd进行写操作。进程不能在对此套接字发出写操作。
  8. SHUT_RDWR(2): 关闭sockfd的读写功能。相当于调用shutdown两次:首先是以SHUT_RD,然后以SHUT_WR。

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  • 使用close中止一个连接,但它只是减少描述符的引用计数,并不直接关闭连接,只有当描述符的引用计数为0时才关闭连接。
  • shutdown不考虑描述符的引用计数,直接关闭描述符。也可选择中止一个方向的连接,只中止读或只中止写。
  • 注意:
    • 1、如果有多个进程共享一个套接字,close每被调用一次,计数减1,直到计数为0时,也就是所用进程都调用了close,套接字将被释放。
    • 2、在多进程中如果一个进程调用了shutdown(sfd, SHUT_RDWR)后,其它的进程将无法进行通信。但,如果一个进程close(sfd)将不会影响到其它进程。

2MSL

  • 2MSL (Maximum Segment Lifetime) TIME_WAIT状态的存在有两个理由:
    • (1)让4次握手关闭流程更加可靠;4次握手的最后一个ACK是是由主动关闭方发送出去的,若这个ACK丢失,被动关闭方会再次发一个FIN过来。若主动关闭方能够保持一个2MSL的TIME_WAIT状态,则有更大的机会让丢失的ACK被再次发送出去。
    • (2)防止lost duplicate对后续新建正常链接的传输造成破坏。lost uplicate在实际的网络中非常常见,经常是由于路由器产生故障,路径无法收敛,导致一个packet在路由器A,B,C之间做类似死循环的跳转。IP头部有个TTL,限制了一个包在网络中的最大跳数,因此这个包有两种命运,要么最后TTL变为0,在网络中消失;要么TTL在变为0之前路由器路径收敛,它凭借剩余的TTL跳数终于到达目的地。但非常可惜的是TCP通过超时重传机制在早些时候发送了一个跟它一模一样的包,并先于它达到了目的地,因此它的命运也就注定被TCP协议栈抛弃。
  • 另外一个概念叫做incarnation connection,指跟上次的socket pair一摸一样的新连接,叫做incarnation of previous connection。lost uplicate加上incarnation connection,则会对我们的传输造成致命的错误。
  • TCP是流式的,所有包到达的顺序是不一致的,依靠序列号由TCP协议栈做顺序的拼接;假设一个incarnation connection这时收到的seq=1000, 来了一个lost duplicate为seq=1000,len=1000, 则TCP认为这个lost duplicate合法,并存放入了receive buffer,导致传输出现错误。通过一个2MSL TIME_WAIT状态,确保所有的lost duplicate都会消失掉,避免对新连接造成错误。
  • 该状态为什么设计在主动关闭这一方:
    • (1)发最后ACK的是主动关闭一方。
    • (2)只要有一方保持TIME_WAIT状态,就能起到避免incarnation connection在2MSL内的重新建立,不需要两方都有。
  • 如何正确对待2MSL TIME_WAIT?
  • RFC要求socket pair在处于TIME_WAIT时,不能再起一个incarnation connection。但绝大部分TCP实现,强加了更为严格的限制。在2MSL等待期间,socket中使用的本地端口在默认情况下不能再被使用。
  • 若A 10.234.5.5 : 1234和B 10.55.55.60 : 6666建立了连接,A主动关闭,那么在A端只要port为1234,无论对方的port和ip是什么,都不允许再起服务。这甚至比RFC限制更为严格,RFC仅仅是要求socket pair不一致,而实现当中只要这个port处于TIME_WAIT,就不允许起连接。这个限制对主动打开方来说是无所谓的,因为一般用的是临时端口;但对于被动打开方,一般是server,就悲剧了,因为server一般是熟知端口。比如http,一般端口是80,不可能允许这个服务在2MSL内不能起来。
  • 解决方案是给服务器的socket设置SO_REUSEADDR选项,这样的话就算熟知端口处于TIME_WAIT状态,在这个端口上依旧可以将服务启动。当然,虽然有了SO_REUSEADDR选项,但sockt pair这个限制依旧存在。比如上面的例子,A通过SO_REUSEADDR选项依旧在1234端口上起了监听,但这时我们若是从B通过6666端口去连它,TCP协议会告诉我们连接失败,原因为Address already in use.
  • RFC 793中规定MSL为2分钟,实际应用中常用的是30秒,1分钟和2分钟等。
  • RFC (Request For Comments),是一系列以编号排定的文件。收集了有关因特网相关资讯,以及UNIX和因特网社群的软件文件。

程序设计中的问题

  • 做一个测试,首先启动server,然后启动client,用Ctrl-C终止server,马上再运行server,运行结果:
  1. itcast$ ./server
  2. bind error: Address already in use

  • 这是因为,虽然server的应用程序终止了,但TCP协议层的连接并没有完全断开,因此不能再次监听同样的server端口。我们用netstat命令查看一下:

itcast$ netstat -apn |grep 6666 tcp 1 0 192.168.1.11:38103 192.168.1.11:6666 CLOSE_WAIT 3525/client tcp 0 0 192.168.1.11:6666 192.168.1.11:38103 FIN_WAIT2 -

  • server终止时,socket描述符会自动关闭并发FIN段给client,client收到FIN后处于CLOSE_WAIT状态,但是client并没有终止,也没有关闭socket描述符,因此不会发FIN给server,因此server的TCP连接处于FIN_WAIT2状态。
  • 现在用Ctrl-C把client也终止掉,再观察现象: itcast$ netstat -apn |grep 6666 tcp 0 0 192.168.1.11:6666 192.168.1.11:38104 TIME_WAIT - itcast$ ./server bind error: Address already in use
  • client终止时自动关闭socket描述符,server的TCP连接收到client发的FIN段后处于TIME_WAIT状态。TCP协议规定,主动关闭连接的一方要处于TIME_WAIT状态,等待两个MSL(maximum segment lifetime)的时间后才能回到CLOSED状态,因为我们先Ctrl-C终止了server,所以server是主动关闭连接的一方,在TIME_WAIT期间仍然不能再次监听同样的server端口。
  • MSL在RFC 1122中规定为两分钟,但是各操作系统的实现不同,在Linux上一般经过半分钟后就可以再次启动server了。至于为什么要规定TIME_WAIT的时间,可参考UNP 2.7节。

端口复用

  • 在server的TCP连接没有完全断开之前不允许重新监听是不合理的。因为,TCP连接没有完全断开指的是connfd(127.0.0.1:6666)没有完全断开,而我们重新监听的是lis-tenfd(0.0.0.0:6666),虽然是占用同一个端口,但IP地址不同,connfd对应的是与某个客户端通讯的一个具体的IP地址,而listenfd对应的是wildcard address。解决这个问题的方法是使用setsockopt()设置socket描述符的选项SO_REUSEADDR为1,表示允许创建端口号相同但IP地址不同的多个socket描述符。
  • 在server代码的socket()和bind()调用之间插入如下代码: int opt = 1; setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
  • 有关setsockopt可以设置的其它选项请参考UNP第7章。

TCP异常断开心跳检测机制

  • 在TCP网络通信中,经常会出现客户端和服务器之间的非正常断开,需要实时检测查询链接状态。常用的解决方法就是在程序中加入心跳机制。
  • Heart-Beat线程
  • 这个是最常用的简单方法。在接收和发送数据时个人设计一个守护进程(线程),定时发送Heart-Beat包,客户端/服务器收到该小包后,立刻返回相应的包即可检测对方是否实时在线。
  • 该方法的好处是通用,但缺点就是会改变现有的通讯协议!大家一般都是使用业务层心跳来处理,主要是灵活可控。
  • UNIX网络编程不推荐使用SO_KEEPALIVE来做心跳检测,还是在业务层以心跳包做检测比较好,也方便控制。

设置TCP属性

  • SO_KEEPALIVE 保持连接检测对方主机是否崩溃,避免(服务器)永远阻塞于TCP连接的输入。设置该选项后,如果2小时内在此套接口的任一方向都没有数据交换,TCP就自动给对方发一个保持存活探测分节(keepalive probe)。这是一个对方必须响应的TCP分节.它会导致以下三种情况:对方接收一切正常:以期望的ACK响应。2小时后,TCP将发出另一个探测分节。对方已崩溃且已重新启动:以RST响应。套接口的待处理错误被置为ECONNRESET,套接 口本身则被关闭。对方无任何响应:源自berkeley的TCP发送另外8个探测分节,相隔75秒一个,试图得到一个响应。在发出第一个探测分节11分钟 15秒后若仍无响应就放弃。套接口的待处理错误被置为ETIMEOUT,套接口本身则被关闭。如ICMP错误是“host unreachable(主机不可达)”,说明对方主机并没有崩溃,但是不可达,这种情况下待处理错误被置为EHOSTUNREACH。
  • 根据上面的介绍我们可以知道对端以一种非优雅的方式断开连接的时候,我们可以设置SO_KEEPALIVE属性使得我们在2小时以后发现对方的TCP连接是否依然存在。 keepAlive = 1; setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (void*)&keepAlive, sizeof(keepAlive));
  • 如果我们不能接受如此之长的等待时间,从TCP-Keepalive-HOWTO上可以知道一共有两种方式可以设置,一种是修改内核关于网络方面的 配置参数,另外一种就是SOL_TCP字段的TCP_KEEPIDLE, TCP_KEEPINTVL, TCP_KEEPCNT三个选项。
  • 1.The tcp_keepidle parameter specifies the interval of inactivity that causes TCP to generate a KEEPALIVE transmission for an application that requests them. tcp_keepidle defaults to 14400 (two hours).
  1. /*开始首次KeepAlive探测前的TCP空闭时间 */

2.The tcp_keepintvl parameter specifies the interval between the nine retriesthat are attempted if a KEEPALIVE transmission is not acknowledged. tcp_keep ntvldefaults to 150 (75 seconds).

  1. /* 两次KeepAlive探测间的时间间隔 */

3.The tcp_keepcnt option specifies the maximum number of keepalive probes tobe sent. The value of TCP_KEEPCNT is an integer value between 1 and n, where n s the value of the systemwide tcp_keepcnt parameter.

/* 判定断开前的KeepAlive探测次数*/



int keepIdle = 1000;

int keepInterval = 10;

int keepCount = 10;



Setsockopt(listenfd, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, (void *)&keepIdle, sizeof(keepIdle));

Setsockopt(listenfd, SOL_TCP,TCP_KEEPINTVL, (void *)&keepInterval, sizeof(keepInterval));

Setsockopt(listenfd,SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, (void *)&keepCount, sizeof(keepCount));

  • SO_KEEPALIVE设置空闲2小时才发送一个“保持存活探测分节”,不能保证实时检测。对于判断网络断开时间太长,对于需要及时响应的程序不太适应。
  • 当然也可以修改时间间隔参数,但是会影响到所有打开此选项的套接口!关联了完成端口的socket可能会忽略掉该套接字选项。

网络名词术语解析路由(route)

  • 路由(名词)
    • 数据包从源地址到目的地址所经过的路径,由一系列路由节点组成。
  • 路由(动词)
    • 某个路由节点为数据包选择投递方向的选路过程。

路由器工作原理

  • 路由器(Router)是连接因特网中各局域网、广域网的设备,它会根据信道的情况自动选择和设定路由,以最佳路径,按前后顺序发送信号的设备。
  • 传统地,路由器工作于OSI七层协议中的第三层,其主要任务是接收来自一个网络接口的数据包,根据其中所含的目的地址,决定转发到下一个目的地址。因此,路由器首先得在转发路由表中查找它的目的地址,若找到了目的地址,就在数据包的帧格前添加下一个MAC地址,同时IP数据包头的TTL(Time To Live)域也开始减数, 并重新计算校验和。当数据包被送到输出端口时,它需要按顺序等待,以便被传送到输出链路上。
  • 路由器在工作时能够按照某种路由通信协议查找设备中的路由表。如果到某一特定节点有一条以上的路径,则基本预先确定的路由准则是选择最优(或最经济)的传输路径。由于各种网络段和其相互连接情况可能会因环境变化而变化,因此路由情况的信息一般也按所使用的路由信息协议的规定而定时更新。
  • 网络中,每个路由器的基本功能都是按照一定的规则来动态地更新它所保持的路由表,以便保持路由信息的有效性。为了便于在网络间传送报文,路由器总是先按照预定的规则把较大的数据分解成适当大小的数据包,再将这些数据包分别通过相同或不同路径发送出去。当这些数据包按先后秩序到达目的地后,再把分解的数据包按照一定顺序包装成原有的报文形式。路由器的分层寻址功能是路由器的重要功能之一,该功能可以帮助具有很多节点站的网络来存储寻址信息,同时还能在网络间截获发送到远地网段的报文,起转发作用;选择最合理的路由,引导通信也是路由器基本功能;多协议路由器还可以连接使用不同通信协议的网络段,成为不同通信协议网络段之间的通信平台。
  • 路由和交换之间的主要区别就是交换发生在OSI参考模型第二层(数据链路层),而路由发生在第三层,即网络层。这一区别决定了路由和交换在移动信息的过程 中需使用不同的控制信息,所以两者实现各自功能的方式是不同的。

路由表(Routing Table)

  • 在计算机网络中,路由表或称路由择域信息库(RIB)是一个存储在路由器或者联网计算机中的电子表格(文件)或类数据库。路由表存储着指向特定网络地址的路径。

路由条目

  • 路由表中的一行,每个条目主要由目的网络地址、子网掩码、下一跳地址、发送接口四部分组成,如果要发送的数据包的目的网络地址匹配路由表中的某一行,就按规定的接口发送到下一跳地址。

缺省路由条目

  • 路由表中的最后一行,主要由下一跳地址和发送接口两部分组成,当目的地址与路由表中其它行都不匹配时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。

路由节点

  • 一个具有路由能力的主机或路由器,它维护一张路由表,通过查询路由表来决定向哪个接口发送数据包。

以太网交换机工作原理

  • 以太网交换机是基于以太网传输数据的交换机,以太网采用共享总线型传输媒体方式的局域网。以太网交换机的结构是每个端口都直接与主机相连,并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对端口,使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样,进行无冲突地传输数据。
  • 以太网交换机工作于OSI网络参考模型的第二层(即数据链路层),是一种基于MAC(Media Access Control,介质访问控制)地址识别、完成以太网数据帧转发的网络设备。

hub工作原理

  • 集线器实际上就是中继器的一种,其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务,所以集线器又叫多口中继器。
  • 集线器功能是随机选出某一端口的设备,并让它独占全部带宽,与集线器的上联设备(交换机、路由器或服务器等)进行通信。从Hub的工作方式可以看出,它在网络中只起到信号放大和重发作用,其目的是扩大网络的传输范围,而不具备信号的定向传送能力,是—个标准的共享式设备。其次是Hub只与它的上联设备(如上层Hub、交换机或服务器)进行通信,同层的各端口之间不会直接进行通信,而是通过上联设备再将信息广播到所有端口上。 由此可见,即使是在同一Hub的不同两个端口之间进行通信,都必须要经过两步操作:
  • 第一步是将信息上传到上联设备;
  • 第二步是上联设备再将该信息广播到所有端口上。

半双工/全双工

  • Full-duplex(全双工)全双工是在通道中同时双向数据传输的能力。
  • Half-duplex(半双工)在通道中同时只能沿着一个方向传输数据。

DNS服务器

  • DNS 是域名系统 (Domain Name System) 的缩写,是因特网的一项核心服务,它作为可以将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库,能够使人更方便的访问互联网,而不用去记住能够被机器直接读取的IP地址串。
  • 它是由解析器以及域名服务器组成的。域名服务器是指保存有该网络中所有主机的域名和对应IP地址,并具有将域名转换为IP地址功能的服务器。

局域网(LAN)

  • local area network,一种覆盖一座或几座大楼、一个校园或者一个厂区等地理区域的小范围的计算机网。
  • 1、覆盖的地理范围较小,只在一个相对独立的局部范围内联,如一座或集中的建筑群内。
  • 2、使用专门铺设的传输介质进行联网,数据传输速率高(10Mb/s~10Gb/s)
  • 3、通信延迟时间短,可靠性较高
  • 4、局域网可以支持多种传输介质

广域网(WAN)

  • wide area network,一种用来实现不同地区的局域网或城域网的互连,可提供不同地区、城市和国家之间的计算机通信的远程计算机网。
  • 覆盖的范围比局域网(LAN)和城域网(MAN)都广。广域网的通信子网主要使用分组交换技术。
  • 广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网,它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来,达到资源共享的目的。如互联网是世界范围内最大的广域网。
  • 1、适应大容量与突发性通信的要求;
  • 2、适应综合业务服务的要求;
  • 3、开放的设备接口与规范化的协议;
  • 4、完善的通信服务与网络管理。

端口

  • 逻辑意义上的端口,一般是指TCP/IP协议中的端口,端口号的范围从0到65535,比如用于浏览网页服务的80端口,用于FTP服务的21端口等等。
  • 1、端口号小于256的定义为常用端口,服务器一般都是通过常用端口号来识别的。
  • 2、客户端只需保证该端口号在本机上是惟一的就可以了。客户端口号因存在时间很短暂又称临时端口号;
  • 3、大多数TCP/IP实现给临时端口号分配1024—5000之间的端口号。大于5000的端口号是为其他服务器预留的。
  • 我们应该在自定义端口时,避免使用well-known的端口。如:80、21等等。

MTU

  • MTU:通信术语 最大传输单元(Maximum Transmission Unit,MTU)
  • 是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小(以字节为单位)。最大传输单元这个参数通常与通信接口有关(网络接口卡、串口等)。
  • 以下是一些协议的MTU:
  1. FDDI协议:4352字节
  2. 以太网(Ethernet)协议:1500字节
  3. PPPoE(ADSL)协议:1492字节
  4. X.25协议(Dial Up/Modem):576字节
  5. Point-to-Point:4470字节

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常见网络知识面试题

  • 1、TCP如何建立链接
  • 2、TCP如何通信
  • 3、TCP如何关闭链接
  • 4、什么是滑动窗口
  • 5、什么是半关闭
  • 6、局域网内两台机器如何利用TCP/IP通信
  • 7、internet上两台主机如何进行通信
  • 8、如何在internet上识别唯一一个进程
    • 答:通过“IP地址+端口号”来区分不同的服务
  • 9、为什么说TCP是可靠的链接,UDP不可靠
  • 10、路由器和交换机的区别
  • 11、点到点,端到端

Socket编程套接字概念

  • Socket本身有“插座”的意思,在Linux环境下,用于表示进程间网络通信的特殊文件类型。本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。
  • 既然是文件,那么理所当然的,我们可以使用文件描述符引用套接字。与管道类似的,Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口,使得读写套接字和读写文件的操作一致。区别是管道主要应用于本地进程间通信,而套接字多应用于网络进程间数据的传递。
  • 套接字的内核实现较为复杂,不宜在学习初期深入学习。
  • 在TCP/IP协议中,“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。“IP地址+端口号”就对应一个socket。欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识,那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。
  • 套接字通信原理如下图所示:
  • 在网络通信中,套接字一定是成对出现的。一端的发送缓冲区对应对端的接收缓冲区。我们使用同一个文件描述符索发送缓冲区和接收缓冲区。
  • TCP/IP协议最早在BSD UNIX上实现,为TCP/IP协议设计的应用层编程接口称为socket API。本章的主要内容是socket API,主要介绍TCP协议的函数接口,最后介绍UDP协议和UNIX Domain Socket的函数接口。

预备知识网络字节序

  • 我们已经知道,内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分,磁盘文件中的多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端小端之分。网络数据流同样有大端小端之分,那么如何定义网络数据流的地址呢?发送主机通常将发送缓冲区中的数据按内存地址从低到高的顺序发出,接收主机把从网络上接到的字节依次保存在接收缓冲区中,也是按内存地址从低到高的顺序保存,因此,网络数据流的地址应这样规定:先发出的数据是低地址,后发出的数据是高地址。
  • TCP/IP协议规定,网络数据流应采用大端字节序,即低地址高字节。例如上一节的UDP段格式,地址0-1是16位的源端口号,如果这个端口号是1000(0x3e8),则地址0是0x03,地址1是0xe8,也就是先发0x03,再发0xe8,这16位在发送主机的缓冲区中也应该是低地址存0x03,高地址存0xe8。但是,如果发送主机是小端字节序的,这16位被解释成0xe803,而不是1000。因此,发送主机把1000填到发送缓冲区之前需要做字节序的转换。同样地,接收主机如果是小端字节序的,接到16位的源端口号也要做字节序的转换。如果主机是大端字节序的,发送和接收都不需要做转换。同理,32位的IP地址也要考虑网络字节序和主机字节序的问题。
  • 为使网络程序具有可移植性,使同样的C代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行,可以调用以下库函数做网络字节序和主机字节序的转换。
#include <arpa/inet.h>


uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

uint16_t htons(uint16_t hostshort);

uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

  • h表示host,n表示network,l表示32位长整数,s表示16位短整数。
  • 如果主机是小端字节序,这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回,如果主机是大端字节序,这些函数不做转换,将参数原封不动地返回。

IP地址转换函数

  • 早期:
#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);

in_addr_t inet_addr(const char *cp);

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

只能处理IPv4的ip地址

不可重入函数

注意参数是struct in_addr

#include <arpa/inet.h>

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);



支持IPv4和IPv6

可重入函数

其中inet_pton和inet_ntop不仅可以转换IPv4的in_addr,还可以转换IPv6的in6_addr。

因此函数接口是void *addrptr。

sockaddr数据结构

  • strcut sockaddr 很多网络编程函数诞生早于IPv4协议,那时候都使用的是sockaddr结构体,为了向前兼容,现在sockaddr退化成了(void *)的作用,传递一个地址给函数,至于这个函数是sockaddr_in还是sockaddr_in6,由地址族确定,然后函数内部再强制类型转化为所需的地址类型。
sockaddr数据结构


struct sockaddr {

    sa_family_t sa_family;      /* address family, AF_xxx */

    char sa_data[14];           /* 14 bytes of protocol address */

};

使用 sudo grep -r "struct sockaddr_in {" /usr 命令可查看到struct sockaddr_in结构体的定义。一般其默认的存储位置:/usr/include/linux/in.h 文件中。

struct sockaddr_in {

    __kernel_sa_family_t sin_family;            /* Address family */    地址结构类型

    __be16 sin_port;                            /* Port number */       端口号

    struct in_addr sin_addr;                    /* Internet address */  IP地址

    /* Pad to size of `struct sockaddr'. */

    unsigned char __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -

    sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];

};



struct in_addr {                        /* Internet address. */

    __be32 s_addr;

};



struct sockaddr_in6 {

    unsigned short int sin6_family;         /* AF_INET6 */

    __be16 sin6_port;                   /* Transport layer port # */

    __be32 sin6_flowinfo;               /* IPv6 flow information */

    struct in6_addr sin6_addr;          /* IPv6 address */

    __u32 sin6_scope_id;                /* scope id (new in RFC2553) */

};



struct in6_addr {

    union {

        __u8 u6_addr8[16];

        __be16 u6_addr16[8];

        __be32 u6_addr32[4];

    } in6_u;

    #define s6_addr         in6_u.u6_addr8

    #define s6_addr16   in6_u.u6_addr16

    #define s6_addr32       in6_u.u6_addr32

};



#define UNIX_PATH_MAX 108

    struct sockaddr_un {

    __kernel_sa_family_t sun_family;    /* AF_UNIX */

    char sun_path[UNIX_PATH_MAX];   /* pathname */

};

Pv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中,IPv4地址用sockaddr_in结构体表示,包括16位端口号和32位IP地址,IPv6地址用sockaddr_in6结构体表示,包括16位端口号、128位IP地址和一些控制字段。UNIX Domain Socket的地址格式定义在sys/un.h中,用sock-addr_un结构体表示。各种socket地址结构体的开头都是相同的,前16位表示整个结构体的长度(并不是所有UNIX的实现都有长度字段,如Linux就没有),后16位表示地址类型。IPv4、IPv6和Unix Domain Socket的地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX。这样,只要取得某种sockaddr结构体的首地址,不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体,就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容。因此,socket API可以接受各种类型的sockaddr结构体指针做参数,例如bind、accept、connect等函数,这些函数的参数应该设计成void 类型以便接受各种类型的指针,但是sock API的实现早于ANSI C标准化,那时还没有void 类型,因此这些函数的参数都用struct sockaddr *类型表示,在传递参数之前要强制类型转换一下,例如:

  1. struct sockaddr_in servaddr;
  2. bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); /* initialize servaddr */

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网络套接字函数

  • socket模型创建流程图
  • socket函数
#include <sys/types.h> /* See NOTES */

#include <sys/socket.h>

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

domain:

    AF_INET 这是大多数用来产生socket的协议,使用TCP或UDP来传输,用IPv4的地址

    AF_INET6 与上面类似,不过是来用IPv6的地址

    AF_UNIX 本地协议,使用在Unix和Linux系统上,一般都是当客户端和服务器在同一台及其上的时候使用

type:

    SOCK_STREAM 这个协议是按照顺序的、可靠的、数据完整的基于字节流的连接。这是一个使用最多的socket类型,这个socket是使用TCP来进行传输。

    SOCK_DGRAM 这个协议是无连接的、固定长度的传输调用。该协议是不可靠的,使用UDP来进行它的连接。

    SOCK_SEQPACKET该协议是双线路的、可靠的连接,发送固定长度的数据包进行传输。必须把这个包完整的接受才能进行读取。

    SOCK_RAW socket类型提供单一的网络访问,这个socket类型使用ICMP公共协议。(ping、traceroute使用该协议)

    SOCK_RDM 这个类型是很少使用的,在大部分的操作系统上没有实现,它是提供给数据链路层使用,不保证数据包的顺序

protocol:

    传0 表示使用默认协议。

返回值:

    成功:返回指向新创建的socket的文件描述符,失败:返回-1,设置errno

    • socket()打开一个网络通讯端口,如果成功的话,就像open()一样返回一个文件描述符,应用程序可以像读写文件一样用read/write在网络上收发数据,如果socket()调用出错则返回-1。对于IPv4,domain参数指定为AF_INET。对于TCP协议,type参数指定为SOCK_STREAM,表示面向流的传输协议。如果是UDP协议,则type参数指定为SOCK_DGRAM,表示面向数据报的传输协议。protocol参数的介绍从略,指定为0即可。
  • bind函数
#include <sys/types.h> /* See NOTES */

#include <sys/socket.h>

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

sockfd:

    socket文件描述符

addr:

    构造出IP地址加端口号

addrlen:

    sizeof(addr)长度

返回值:

    成功返回0,失败返回-1, 设置errno

  • 服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的,客户端程序得知服务器程序的地址和端口号后就可以向服务器发起连接,因此服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号。
  • bind()的作用是将参数sockfd和addr绑定在一起,使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听addr所描述的地址和端口号。前面讲过,struct sockaddr *是一个通用指针类型,addr参数实际上可以接受多种协议的sockaddr结构体,而它们的长度各不相同,所以需要第三个参数addrlen指定结构体的长度。如:
struct sockaddr_in servaddr;

bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

servaddr.sin_family = AF_INET;

servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

servaddr.sin_port = htons(6666);

    • 首先将整个结构体清零,然后设置地址类型为AF_INET,网络地址为INADDR_ANY,这个宏表示本地的任意IP地址,因为服务器可能有多个网卡,每个网卡也可能绑定多个IP地址,这样设置可以在所有的IP地址上监听,直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个IP地址,端口号为6666。
listen函数


#include <sys/types.h> /* See NOTES */

#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

sockfd:

    socket文件描述符

backlog:

    排队建立3次握手队列和刚刚建立3次握手队列的链接数和

查看系统默认backlog

  1. cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog

典型的服务器程序可以同时服务于多个客户端,当有客户端发起连接时,服务器调用的accept()返回并接受这个连接,如果有大量的客户端发起连接而服务器来不及处理,尚未accept的客户端就处于连接等待状态,listen()声明sockfd处于监听状态,并且最多允许有backlog个客户端处于连接待状态,如果接收到更多的连接请求就忽略。listen()成功返回0,失败返回-1。 accept函数

#include <sys/types.h>      /* See NOTES */

#include <sys/socket.h>

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

sockdf:

    socket文件描述符

addr:

    传出参数,返回链接客户端地址信息,含IP地址和端口号

addrlen:

    传入传出参数(值-结果),传入sizeof(addr)大小,函数返回时返回真正接收到地址结构体的大小

返回值:

    成功返回一个新的socket文件描述符,用于和客户端通信,失败返回-1,设置errno

while (1) {

    cliaddr_len = sizeof(cliaddr);

    connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);

    n = read(connfd, buf, MAXLINE);

    ......

    close(connfd);

}
    • 整个是一个while死循环,每次循环处理一个客户端连接。由于cliaddr_len是传入传出参数,每次调用accept()之前应该重新赋初值。accept()的参数listenfd是先前的监听文件描述符,而accept()的返回值是另外一个文件描述符connfd,之后与客户端之间就通过这个connfd通讯,最后关闭connfd断开连接,而不关闭listenfd,再次回到循环开头listenfd仍然用作accept的参数。accept()成功返回一个文件描述符,出错返回-1。
  • connect函数
#include <sys/types.h>                  /* See NOTES */

#include <sys/socket.h>

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

sockdf:

    socket文件描述符

addr:

    传入参数,指定服务器端地址信息,含IP地址和端口号

addrlen:

    传入参数,传入sizeof(addr)大小

返回值:

    成功返回0,失败返回-1,设置errno
    • 客户端需要调用connect()连接服务器,connect和bind的参数形式一致,区别在于bind的参数是自己的地址,而connect的参数是对方的地址。connect()成功返回0,出错返回-1。

C/S模型-TCP

  • 下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程:
  • 服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后,调用accept()阻塞等待,处于监听端口的状态,客户端调用socket()初始化后,调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答,服务器应答一个SYN-ACK段,客户端收到后从connect()返回,同时应答一个ACK段,服务器收到后从accept()返回。
  • 数据传输的过程:
    • 建立连接后,TCP协议提供全双工的通信服务,但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主动发起请求,服务器被动处理请求,一问一答的方式。因此,服务器从accept()返回后立刻调用read(),读socket就像读管道一样,如果没有数据到达就阻塞等待,这时客户端调用write()发送请求给服务器,服务器收到后从read()返回,对客户端的请求进行处理,在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答,服务器调用write()将处理结果发回给客户端,再次调用read()阻塞等待下一条请求,客户端收到后从read()返回,发送下一条请求,如此循环下去。
    • 如果客户端没有更多的请求了,就调用close()关闭连接,就像写端关闭的管道一样,服务器的read()返回0,这样服务器就知道客户端关闭了连接,也调用close()关闭连接。注意,任何一方调用close()后,连接的两个传输方向都关闭,不能再发送数据了。如果一方调用shutdown()则连接处于半关闭状态,仍可接收对方发来的数据。
  • 在学习socket API时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的: 应用程序调用某个socket函数时TCP协议层完成什么动作,比如调用connect()会发出SYN段 应用程序如何知道TCP协议层的状态变化,比如从某个阻塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段,再比如read()返回0就表明收到了FIN段

server

  • 下面通过最简单的客户端/服务器程序的实例来学习socket API。
  • server.c的作用是从客户端读字符,然后将每个字符转换为大写并回送给客户端。
#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>



#define MAXLINE 80

#define SERV_PORT 6666



int main(void)

{

    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;

    socklen_t cliaddr_len;

    int listenfd, connfd;

    char buf[MAXLINE];

    char str[INET_ADDRSTRLEN];

    int i, n;



    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);



    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;

    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);



    bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    listen(listenfd, 20);



    printf("Accepting connections ...\n");

    while (1) {

        cliaddr_len = sizeof(cliaddr);

        connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);

        n = read(connfd, buf, MAXLINE);

        printf("received from %s at PORT %d\n",

        inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),

        ntohs(cliaddr.sin_port));

        for (i = 0; i < n; i++)

            buf[i] = toupper(buf[i]);

        write(connfd, buf, n);

        close(connfd);

    }

    return 0;

}

client

  • client.c的作用是从命令行参数中获得一个字符串发给服务器,然后接收服务器返回的字符串并打印。 复制代码
#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>



#define MAXLINE 80

#define SERV_PORT 6666



int main(int argc, char *argv[])

{

    struct sockaddr_in servaddr;

    char buf[MAXLINE];

    int sockfd, n;

char *str;



    if (argc != 2) {

        fputs("usage: ./client message\n", stderr);

        exit(1);

    }

str = argv[1];



    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);



    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;

    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);

    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);



    connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));



    write(sockfd, str, strlen(str));



    n = read(sockfd, buf, MAXLINE);

    printf("Response from server:\n");

    write(STDOUT_FILENO, buf, n);

    close(sockfd);



    return 0;

}

原文发布于微信公众号 - Golang语言社区(Golangweb)

原文发表时间:2017-08-15

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