[网络协议] Linux网络编程-3-socket编程api

基于socket的网络应用概述

以一个C/S结构的网络应用为例，客户端和服务器端使用socket通信的流程图如下：

从Linux内核的角度来看，一个套接字就是通信的一个端点。从Linux程序的角度来看，套接字就是一个有相应描述符的文件。(注：Linux中有普通文件、目录、套接字三种，Linux中一切皆是文件)

这里的read和write就很好的表现了Linux一切皆为文件的思想，进行网络通信，其实也就是对socket这个文件进行通用的Unix I/O操作。

socket通信的过程可以理解为打电话：socket为电话机。

建立连接(三次握手)

connect是拨号；服务器端的 bind 就好比是去电信公司开户，将电话号码和我们家里的电话机绑定，这样别人就可以用这个号码找到你； listen 是人们在家里听到了响铃；accept 是被叫的一方拿起电话开始应答。(自此，三次握手就完成了，连接建立完毕。)

交流(数据传输过程)

write就是给对方说话，read就是听对方说了什么。

关闭连接(四次挥手)

最后，拨打电话的人完成了此次交流，挂上电话，对应的操作可以理解为 close，接听电话的人知道对方已挂机，也挂上电话，也是一次 close。

下面是偏教科书式的理解：

三次握手

服务器端通过 socket，bind 和 listen 完成了被动套接字的准备工作，被动的意思就是等着别人来连接，然后调用 accept，就会阻塞在这里，等待客户端的连接来临;客户端通过调用 socket 和 connect 函数之后，也会阻塞。接下来的事情是由操作系统内核完成的，更具体一点的说，是操作系统内核网络协议栈在工作。

下面是具体的过程:

(a) 客户端的协议栈向服务器端发送了 SYN 包，并告诉服务器端当前发送序列号 j，客户端进入 SYNC_SENT 状态;

(b)服务器端的协议栈收到这个包之后，和客户端进行 ACK 应答，应答的值为 j+1，表示对 SYN 包 j 的确认，同时服务器也发送一个 SYN 包，告诉客户端当前我的发送序列号为 k，服务器端进入 SYNC_RCVD 状态;

(c)客户端协议栈收到 ACK 之后，使得应用程序从 connect 调用返回，表示客户端到服务

器端的单向连接建立成功，客户端的状态为 ESTABLISHED，同时客户端协议栈也会对

服务器端的 SYN 包进行应答，应答数据为 k+1;

(d)应答包到达服务器端后，服务器端协议栈使得 accept 阻塞调用返回，这个时候服务器

端到客户端的单向连接也建立成功，服务器端也进入 ESTABLISHED 状态。

数据传输过程

客户端进程向操作系统内核发起 write 字节流写操作，内核协议栈将字节流通过网络设备传输到服务器端，服务器端从内核得到信息，将字节流从内核读入到进程中，并开始业务逻辑的处理，完成之后，服务器端再将得到的结果以同样的方式写给客户端。可以看到，一旦连接建立，数据的传输就不再是单向的，而是双向的，这也是 TCP 的一个显著特性。

四次挥手

和服务器端断开连接时，会执行 close 函数，操作系统内核此时会通过原先的连接链路向服务器端发送一个 FIN 包，服务器收到之后执行被动关闭，这时候整个链路处于半关闭状态，此后，服务器端也会执行 close 函数，整个链路才会真正关闭。半关闭的状态下，发起 close 请求的一方在没有收到对方 FIN 包之前都认为连接是正常的;而在全关闭的状态下，双方都感知连接已经关闭。

Linux中与socket相关api

socket()-创建socket

要创建一个可用的套接字，需要使用下面的函数：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
		
//成功返回文件描述符，失败返回-1
int socket(int domain, int type,int protocol);

domain 就是指 PF_INET、PF_INET6 以及 PF_LOCAL 等，表示什么样的套接字。

type 可用的值是：

SOCK_STREAM: 表示的是字节流，对应 TCP；
SOCK_DGRAM：表示的是数据报，对应 UDP；
SOCK_RAW: 表示的是原始套接字。
自Linux2.6.17版本之后，可以为SOCK_NONBLOCK(非阻塞)和SOCK_CLOEXEC(用fork调用创建子进程时在子进程中关闭该socket)。

参数 protocol 原本是用来指定通信协议的，但现在基本废弃。因为协议已经通过前面两个参数指定完成。protocol 目前一般写成 0 即可。

connect()-发起连接

客户端和服务器端的连接建立，是通过 connect 函数完成的。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

//成功返回0，失败返回-1;
int connect(int sockfd, const struct sockaddr* serv_addr,socklen_t addrlen);

函数的第一个参数 sockfd 是连接套接字。

第二个、第三个参数 servaddr 和 addrlen 分别代表指向套接字地址结构的指针和该结构的大小。套接字地址结构必须含有服务器的 IP 地址和端口号。

客户在调用函数 connect 前不必非得调用 bind 函数，因为如果需要的话，内核会确定源 IP 地址，并按照一定的算法选择一个临时端口作为源端口。

connect调用成功返回0。一旦成功建立连接，sockfd就唯一地标识了这个连接，客户端就可以通过读写sockfd来与服务器通信。connect失败则返回-1并设置errno，常见的两种是ECONNREFUSED和ETIMEDOUT：

ECONNREFUSED：目标端口不存在，连接被拒绝。
ETIMEDOUT：连接超时。

bind()-命名socket

创建socket时，指定了地址族，但是并未指定使用该地址族中的那个具体socket地址。将一个socket与socket地址绑定称为给socket命名。在服务器程序中，通常要命名socket。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

//成功返回0，失败返回-1
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* myaddr,socklen_t addrlen);

bind 函数后面的第二个参数是通用地址格式sockaddr* addr。这里虽然接收的是通用地址格式，实际上传入的参数可能是 IPv4、IPv6 或者本地套接字格式。bind 函数会根据 len 字段判断传入的参数 addr 该怎么解析，len 字段表示的就是传入的地址长度，它是一个可变值。

对于使用者来说，每次需要将 IPv4、IPv6 或者本地套接字格式转化为通用套接字格式，就像下面的 IPv4 套接字地址格式的例子一样：

struct sockaddr_in name;
bind (sock, (struct sockaddr *) &name, sizeof (name)

将地址设置成本机的 IP 地址，相当告诉操作系统内核，仅仅对目标 IP 是本机 IP 地址的 IP 包进行处理。

但是这样写的程序在部署时有一个问题，如果不清楚自己的应用程序将会被部署到哪台机器上，可以利用通配地址的能力帮助我们解决这个问题。

对于 IPv4 的地址来说，使用 INADDR_ANY 来完成通配地址的设置；对于 IPv6 的地址来说，使用 IN6ADDR_ANY 来完成通配地址的设置。

struct sockaddr_in name;
name.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY); /* IPV4 通配地址 */

listen()-监听socket

初始化创建的套接字，可以认为是一个"主动"套接字，其目的是之后主动发起请求。通过 listen 函数，可以将原来的"主动"套接字转换为"被动"套接字，告诉操作系统内核，这个套接字用于“被”请求。

#include <sys/socket.h>

//成功返回0，失败返回-1并设置errno
int listen(int sockfd, int backlog);

第一个参数 socketfd 为套接字描述符。

第二个参数 backlog提示内核监听队列的最大长度。监听队列的长度如果超过backlog，服务器将不受理新的客户连接，客户端也将受到ECONNREFUSED错误信息。(在内核版本2.2之前的Linux中，backlog参数是指所有处于半连接状态和完全连接状态的socket的上限。在此之后，他只表示处于完全连接状态的socket上限，处于半连接状态的socket的上限则由/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog内核参数定义)。典型值为5。

accept()-接受连接

accept 这个函数的作用就是连接建立之后，操作系统内核和应用程序之间的桥梁。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

//成功返回一个新的连接socket，失败返回-1；
int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);

sockfd参数是执行过listen系统调用的监听socket。

addr参数用来获取被接受端socket地址，该socket地址的长度由addrlen参数指出。

accept成功时返回一个新的连接socket，该socket唯一地标识了被接受的这个连接，服务器可通过读写该socket来与被接受连接对应的客户端通信。accept失败返回-1并设置errno。
accetp只是从监听队列中取出连接，而不论连接处于何种状态，更不关心任何网络状况的变化。

reference

[1] 深入理解计算机系统

[2] 极客时间 · 网络编程实战

[3] Linux高性能服务器编程