[系统运维]简单谈谈TCP网络编程API

客户机-服务器模型

一个简单的客户机-服务器模型如下图所示。

客户机需要某个数据或某项服务时，向服务器发送请求，服务器对该请求作出响应，向客户机提供它想要的东西。
一个服务器可以同时对多个客户机作出响应。
客户机和服务器都是以进程（不是机器）为单位的，即客户机进程、服务器进程。

基于TCP的网络编程模型

基于TCP协议的客户机-服务器网络模型执行流程如下：

服务器进程先启动：

1. 创建socket
2. 在socket上绑定指定的IP地址和端口号
3. 主动socket变被动socket
4. 监听客户机的连接请求，阻塞等待客户机发起并完成连接

客户机进程后启动：

1. 创建socket
2. 向服务器进程发起连接

经过三次握手，TCP连接建立成功后，进程间就可以收发（读写）数据了。此时服务器进程会新增一个执行流，处理客户的请求，原执行流继续阻塞等待新的客户连接，即并发服务器。
请求完毕后，客户机进程首先发起断开连接。

socket == 套接字
主动socket == 普通的套接字
被动socket == 监听套接字（只存在于服务器进程）
应用程序把socket看作一个文件，使用文件描述符读写它。

套接字地址

套接字地址主要有三个重要信息：地址族（表示哪种套接字）、IP地址、端口号。
不同类型的套接字定义了不同的结构。

IPV4套接字

/* IPV4套接字地址，32bit值.  */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
  {
    in_addr_t s_addr;
  };
  
/* 描述IPV4的套接字地址格式  */
struct sockaddr_in
  {
    sa_family_t sin_family; /* 16-bit */
    in_port_t sin_port;     /* 端口号  16-bit*/
    struct in_addr sin_addr;    /* Internet address. 32-bit */
    /* 这里仅仅用作占位符，不做实际用处  */
    unsigned char sin_zero[8];
  };

IPV6套接字

struct sockaddr_in6
  {
    sa_family_t sin6_family; /* 16-bit */
    in_port_t sin6_port;  /* 传输端口号 # 16-bit */
    uint32_t sin6_flowinfo; /* IPv6流控信息 32-bit*/
    struct in6_addr sin6_addr;  /* IPv6地址128-bit */
    uint32_t sin6_scope_id; /* IPv6域ID 32-bit */
  };

本地套接字

struct sockaddr_un {
    unsigned short sun_family; /* 固定为 AF_LOCAL */
    char sun_path[108];   /* 路径名 */
};

通用套接字

/* POSIX.1g 规范规定了地址族为2字节的值.  */
typedef unsigned short int sa_family_t;
/* 描述通用套接字地址  */
struct sockaddr{
    sa_family_t sa_family;  /* 地址族.  16-bit*/
    char sa_data[14];   /* 具体的地址值 112-bit */
  }; 

C语言不支持函数重载，而早期的C语言也没有void *，所以系统定义了一个通用的套接字地址，避免了定义多个功能相同的网络编程API。
API中，凡是用到套接字地址的地方，传入的都是通用套接字类型的指针和它的长度。

网络编程API

socket

// #include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

功能：创建socket（主动套接字）
参数：

1. domain：地址族。取值有PF_INET（IPv4）、PF_INET6（IPv6） 、 PF_LOCAL等。

2. type：通信的数据格式。取值有SOCK_STREAM（字节流，对应TCP）、SOCK_DGRAM（数据报，对应UDP）和SOCK_RAW（原始套接字，暂不讨论）。

3. protocol：暂不讨论，填0即可

返回值：一个整型，表示能对socket进行读写的文件描述符。

bind

// #include <sys/socket.h>
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

功能：把socket和套接字地址绑定起来。其他进程通过该地址访问该socket。
参数：

1. socket：socket的文件描述符
2. address：socket通用地址类型的指针
3. address_len：socket通用地址类型的长度

返回值：成功返回0；失败返回-1

listen

// #include <sys/socket.h>
int listen(int socket, int backlog);

功能：把主动套接字变成被动套接字（监听套接字）。用于服务器端。
参数：

1. socket：socket的文件描述符
2. backlog：这个参数的大小决定了服务器可以接收的并发数目。

返回值：成功返回0，失败返回-1

accept

// #include <sys/socket.h>
int accept(int socket, struct sockaddr *restrict address, socklen_t *restrict address_len);

功能：服务器等待和客户机完成建立连接
参数：

1. socket：socket的文件描述符
2. address：用于获取客户机的套接字地址
3. address_len：用于获取套接字地址的长度

返回值：成功，返回一个非负整型，表示连接套接字的文件描述符；失败返回-1

连接套接字是主动套接字，服务器使用该套接字响应客户机，而监听套接字始终用于监听新的客户连接请求。

connect

// #include <sys/types.h>
// #include <sys/socket.h>
int connect(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

功能：客户机向服务器发起并完成连接
参数：

1. socket：socket的文件描述符
2. address：服务器的通用套接字地址
3. address_len：套接字地址长度

返回值：成功返回0；失败返回-1

read

// #include <sys/types.h>
// #include <sys/uio.h>
// #include <unistd.h>
ssize_t read(int fildes, void *buf, size_t nbyte);

功能：从文件fildes里读nbyte个字节的数据到首地址为buf的缓冲区上。
参数：

1. fildes：文件描述符
2. buf：缓冲区首地址
3. nbyte：读取的字节个数

返回值：

1. 正常情况下，返回读到的字节数
2. 读到EOF，返回0
3. 其他情况，返回-1

如果read读到了EOF（end-of-file），这在网络中表示对端发送了FIN包，即对端调用了close

write

// #include <unistd.h>
ssize_t write(int fildes, const void *buf, size_t nbyte);

功能：从地址buf开始，把nbyte个字节的数据写到文件fildes。
参数：

1. fildes：文件描述符
2. buf：缓冲区首地址
3. nbyte：要写入的字节个数

返回值：成功，返回写入的字节数；失败返回-1

close

// #include <unistd.h>
int close(int fildes);

功能：向对端发送FIN包（关闭文件）
参数：

1. fildes：文件描述符

返回值：成功，返回0；失败，返回-1

read、write和close可用于对所有文件的操作。