开发: C++知识库 Java知识库 JavaScript Python PHP知识库人工智能区块链大数据移动开发嵌入式开发工具数据结构与算法开发测试游戏开发网络协议系统运维
教程: HTML教程 CSS教程 JavaScript教程 Go语言教程 JQuery教程 VUE教程 VUE3教程 Bootstrap教程 SQL数据库教程 C语言教程 C++教程 Java教程 Python教程 Python3教程 C#教程
数码: 电脑笔记本显卡显示器固态硬盘硬盘耳机手机 iphone vivo oppo 小米华为单反装机图拉丁

-> 系统运维 -> APUE第十六章笔记 -> 正文阅读

[系统运维]APUE第十六章笔记

本笔记参考了BrianLeeLXT的笔记

第十六章网络IPC：套接字

16.2 套接字描述符

套接字是通信端点的抽象。套接字描述符在UNIX系统中被当作是一种文件描述符。

使用socket函数创建一个套接字

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
//返回值：若成功，返回套接字描述符；若出错，返回 -1

参数domain（域）确定通信的特性：
AF_INET：IPv4因特网域
AF_INET6：IPv6因特网域
AF_LOCAL、AF_UNIX：UNIX域
AF_UPSPEC：未指定，“任何”域
参数type确定套接字的类型，进一步确定通信特征。
SOCK_DGRAM：固定长度的、无连接的、不可靠的报文传递
SOCK_RAW：IP协议的数据报接口
SOCK_SEQPACKET：固定长度的、有序的、可靠的、面向连接的报文传递
SOCK_STREAM：有序的、可靠的、双向的、面向连接的字节流
参数protocol通常是0，表示为给定的域和套接字类型选择默认协议。
IPPROTO_IP：IPv4网际协议
IPPROTO_IPV6：IPv6网际协议
IPPROTO_ICMP：因特网控制报文协议
IPPROTO_RAW：原始IP数据包协议
IPPROTO_TCP：传输控制协议
IPPROTO_UDP：用户数据报协议

套接字通信是双向的，可以采用 shutdown 函数来禁止一个套接字的 I/O

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);
//返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

how参数取值：
SHUT_RD：关闭读端
SHUT_WR：关闭写端
SHUT_RDWR：关闭读写端

16.3 寻址

16.3.1 字节序

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostint32);	//返回：以网络字节序表示的 32 位整数
uint64_t htons(uint16_t hostint16);	//返回：以网络字节序表示的 16 位整数
uint32_t ntohl(uint32_t netint32);	//返回：以主机字节序表示的 32 位整数
uint16_t ntohs(uint16_t netint16);	//返回：以主机字节序表示的 16 位整数

16.3.2 地址格式

为使不同格式地址能够传入到套接字函数，地址会被强制转换成一个通用的地址结构sockaddr

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family; /* address family */
    char sa_data[]; /* variable-length address */
};

因特网地址定义在<netinet/in.h>头文件中。
在IPv4因特网域中，套接字地址用结构 sockaddr_in表示：

struct in_addr_t {
    in_addr_t s_addr；/* IPv4 address */
};
struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family; /* address family */
    in_port_t sin_port; /* port number */
    struct in_addr sin_addr; /* IPv4 address */
};

IPv6因特网域套接字地址用结构 sockaddr_in6表示：

struct in6_addr {
    uint8_t s6_addr[16]；/* IPv6 address */
};
struct sockaddr_in6 {
    sa_family_t sin6_family；/* address family */
    in_port_t sin6_port；/* port number */
    uint32_t sin6_flowinfo；/* traffic class and flow info */
    struct in6_addr sin6_addr；/* IPv6 address */
    uint32_t sin6_scope_id；/* set of interfaces for scope */
}；

inet_ntop函数和inet_pton函数完成二进制地址格式与点分十进制字符表示(a.b.c.d)之间的相互转换：

#include <arpa/inet.h>
const char *inet_ntop(int domain, const void *restrict addr, char *restrict str, socklen_t size);
//返回值：若成功，返回地址字符串指针；若出错，返回 NULL
int inet_pton(int domain, const char *restrict str, void *restrict addr);
//返回值：若成功，返回 1；若格式无效，返回 0；若出错，返回 -1

函数inet_ntop将网络字节序的二进制地址转换成文本字符串格式。函数inet_pton将文本字符串格式转换成网络字节序的二进制地址。
参数domain仅支持两个值：AF_INET和AF_INET6。
两个常数用于简化工作：
INET_ADDRSTRLEN：定义了足够大的空间来存放一个表示IPv4地址的文本字符串。
INET6_ADDRSTRLEN：定义了足够大的空间来存放一个表示IPv6地址的文本字符串。

16.3.3 地址查询

通过调用gethostent，可以找到给定计算机系统的主机信息

#include <netdb.h>
struct hostent *gethostent(void);
//返回值：若成功，返回指针；若出错，返回 NULL
void sethostent(int stayopen);
void endhostent(void);
struct hostent {
    char *h_name; /* name of host */
    char **h_aliases; /* pointer to alternate host name array */
    int h_addrtype; /* address type */
    int h_length; /* length in bytes of address */
    char **haddr_list; /* pointer to array of network addresses */
};

如果主机数据库文件没有打开，gethostent会打开它。函数 gethostent返回文件中的下一个条目。函数 sethostent会打开文件，如果文件已经被打开，那么将其回绕。当stayopen参数设置成非0值时，调用gethostent之后，文件将依然是打开的。函数endhostent可以关闭文件。
返回的地址采用网络字节序。

一套相似的接口来获得网络名字和网络编号。

#include <netdb.h>
struct netent *getnetbyaddr(uint32_t net, int bype);
struct netent *getnetbyname(const char *name);
struct netent *getnetent(void);
//3个函数的返回值：若成功，返回指针；若出错，返回 NULL
void setnetent(int stayopen);
void endnetent(void);
struct netent {
    char *n_name; /* network name */
    char **naliases; /* alternate network name array pointer */
    int n_addrtype; /* address type */
    uint32_t n_net; /* network number */
};

我们可以用以下函数在协议名字和协议编号之间进行映射。

#include <netdb.h>
struct protoent *getprotobyname(const char*name);
struct protoent *getprotobynumber(int proto);
struct protoent *getprotoent(void);
//3个函数的返回值：若成功，返回指针；若出错，返回 NULL
void setprotoent(int stayopen);
void endprotoent(void)；
struct protoent {
    char *p_name; /* protocol name */
    char **p_aliases; /* pointer to altername protocol name array */
    int p_proto; /* protocol number */
}

使用函数getservbyname将一个服务名映射到一个端口号，使用函数getservbyport将一个端口号映射到一个服务名，使用函数getservent顺序扫描服务数据库。

#include <netdb.h>
struct servent *getservbyname(const char *name, const char *proto);
struct servent *getserbyport(int port, const char *proto);
struct servent *getservent(void);
///3个函数的返回值：若成功，返回指针，若出错，返回NULL
void setservent(int stayopen);
void endservent(void);
struct servent {
    char *s_name; /* service name */
    char **s_aliases; /* pointer to alternate service name array */
    int s_port; /* port number */
    char *s_proto; /* name of protocol */
};

getaddrinfo函数允许将一个主机名和一个服务名映射到一个地址。

#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
int getaddrinfo(const char *restrict host, const char *restrict service, const struct addrinfo *restrict hint, struct addrinfo **restrict nes);
//返回值：若成功，返回0；若出错，返回非0错误码
void freeaddrinfo(struct addrinto *ai);
struct addrinfo {
    int ai_flags; /* customize behavior */
    int ai_family; /* address family */
    int ai_socktype; /* socket type */
    int ai_protocol; /* protocol */
    socklen_t ai_addrlen; /* length in bytes of address */
    struct sockaddr *ai_addr; /* address */
    char* ai_canonname; /* canonical name of host */
    struct addrinfo *ai_next; /* next in list */
}

主机名可以是一个节点名或点分格式的主机地址。
getaddrinfo函数返回一个链表结构addrinfo。
freeaddrinfo函数释放一个或多个这种结构。

可以提供一个可选的hint来选择符合特定条件的地址。hint是一个用于过滤地址的模板，包括ai_family、ai_flags、ai_protocol和ai_socktype字段。剩余的整数字段必须设置为0，指针字段必须为空。

ai_family：
AI_ADDRCONEIG：查询配置的地址类型（IPv4或IPv6）
AI_ALL：查找IPv4和IPv6地址（仅用于AI_V4MAPPED）
AI_CANONNAME：需要一个规范的名字（与别名相对）
AI_NUMERICHOST：以数字格式指定主机地址，不翻译
AI_NUMERICSERV：将服务指定为数字端口号，不翻译
AI_PASSIVE：套接字地址用于监听绑定
AI_V4MAPPED：如没有找到IPv6地址，返回映射到IPv6格式的IPv4地址

如果getaddrinfo失败要调用gai_strerror将返回的错误码转换成错误消息。

#include <netdb.h>
const char *gai_strerror(int error);
//返回值：指向描述错误的字符串的指针

getnameinfo函数将一个地址转换成一个主机名和一个服务名。

#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
int getnameinfo(const struct sockaddr *restrict addr, socklen_t alen, char *restrict host, socklen_t hostlen, char *restrict service, socklen_t servlen, int flags);
//返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 非0值

flag标志：
NI_DGRAM：服务基于数据报而非基于流
NI_NAMEREQD：如果找不到主机名，将其作为一个错误对待
NI_NOFQDN：对于本地主机，仅返回全限定域名的节点名部分
NI_NUMERICHOST：返回主机地址的数字形式，而非主机名
NI_NUMERICSCOPE：对于Pv6，返回范围ID的数字形式，而非名字
NI_NUMERICSERV：返回服务地址的数字形式（即端口号），而非名字

16.3.4 将套接字与地址关联

使用bind函数来关联地址和套接字

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);
//返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

对于因特网域，如果指定IP地址为INADDR_ANY，套接字端点可以被绑定到所有的系统网络接口上。

可以调用getsockname函数来发现绑定到套接字上的地址。

#include <sys/socket.h>
int getsockname(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict alenp);
//返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

返回时，alenp指向的整数会被设置成返回地址的大小。

如果套接字已经和对等方连接，可以调用getpeername函数来找到对方的地址。

#include <sys/socket.h>
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict alenp);
//返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

16.4 建立连接

使用connect函数来建立连接

#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);
//返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

在connect中指定的地址是我们想与之通信的服务器地址。如果sockfd没有绑定到一个地址，connect会给调用者绑定一个默认地址。

可迁移的应用程序需要关闭套接字。

若套接字处于非阻塞模式，那么在连接不能马上建立时，connect会返回?1并将errno设置为特殊的错误码EINPROGRESS。应用程序可以使用poll或者select来判断套接字描述符何时可写，如果可写，连接完成。

connect函数还可以用于无连接的网络服务（SOCK_DGRAM），传送的报文的目标地址会设置成connect调用中指定的地址，这样每次传送报文时就不需要再提供地址。另外，仅能接收来自指定地址的报文。

服务器调用listen函数来宣告它愿意接受连接请求。

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
//返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

参数backlog提供了一个提示，提示系统该进程要入队的未完成连接请求数量。

一旦服务器调用了listen，所用的套接字就能接收连接请求。使用accept函数获得连接请求并建立连接

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict len);
//返回值：若成功，返回套接字描述符；若出错，返回 -1

如果没有连接请求在等待，accept会阻塞直到一个请求到来。如果sockfd处于非阻塞模式，accept会返回-1，并将errno设置为EAGAIN或EWOULDBLOCK。

16.5 数据传输

只要建立连接，就可以使用read和write来通过套接字通信。

send函数

#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);
//返回值：若成功，返回发送的字节数；若出错，返回 -1

使用send时套接字必须已经连接。
flag参数：
MSG_CONEIRM：提供链路层反馈以保持地址映射有效
MSG_DONTROUTE：勿将数据包路由出本地网络
MSG_DONTWAIT：允许非阻塞操作
MSG_EOF：发送数据后关闭套接字的发送端
MSG_EOR：如果协议支持，标记记录结束
MSG_MORE.：延迟发送数据包允许写更多数据
MSG_NOSIGNAL：在写无连接的套接字时不产生SIGPIPE信号
MSG_00B：如果协议支持，发送带外数据

对于支持报文边界的协议，如果尝试发送的单个报文的长度超过协议所支持的最大长度，那么send会失败，并将errno设为EMSGSIZE。对于字节流协议，send会阻塞直到整个数据传输完成。

sendto函数可以在无连接的套接字上指定一个目标地址

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags, const struct sockaddr *destaddr, socklen_t destlen);
//返回值：若成功，返回发送的字节数；若出错，返回 -1

调用带有msghdr结构的sendmsg来指定多重缓冲区传输数据

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags, const struct sockaddr *destaddr, socklen_t destlen);
//返回值：若成功，返回发送的字节数；若出错，返回 -1
struct msghdr {
    void *msg_name; /* optional address */
    socklen_t msg_namelen; /* address size in bytes */
    struct iovec *msg_iov; /* array of I/O buffers */
    int msg_iovlen; /* number of elements in array */
    void *msg_control; /* ancillary data */
    socklen_t msg_controllen; /* number of ancillary bytes */
    int msg_flags; /* flags for received message */
};

recv函数

#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t nbytes, int flags);
//返回值：返回数据的字节长度；若无可用数据或对等方已经按序结束，返回 0；若出错，返回 -1

flag参数：
MSG_DONTWAIT：启用非阻塞操作
MSG_ERRQUEUE：接收错误信息作为辅助数据
MSG_00B：如果协议支持，获取带外数据
MSG_PEEK：返回数据包内容而不真正取走数据包
MSG_TRUNC：即使数据包被截断，也返回数据包的实际长度
MSG_WAITALL：等待直到所有的数据可用（仅SOCK_STREAM）

如果发送者已经调用shutdown来结束传输，或者网络协议支持按默认的顺序关闭并且发送端已经关闭，那么当所有的数据接收完毕后，recv会返回0。

使用recvfrom可以得到数据发送者的地址

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *restrict buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict addrlen);
//返回值：返回数的字节长度；若无可用数据或对等方已经按序结束，返回 0；若出错，返回 -1

进入recvmsg时msg_flags被忽略，使用参数flags代替
MSG_CTRUNC：控制数据被截断
MSG_EOR：接收记录结束符
MSG_ERRQUEUE：接收错误信息作为辅助数据
MSG_00B：接收带外数据
MSG_TRUNC：一般数据被截断

16.6 套接字选项

可以使用setsockopt函数来设置套接字选项。

#include <sys/socket.h>
int setsockopt(int sockfd, int level, int option, const void *val, socklent len);
//返回值：若成功，返回0：若出错，返回-1

参数level标识了选项应用的协议。如果选项是通用的套接字层次选项，则level设置成SOL_SOCKET。否则，level设置成控制这个选项的协议编号。对于TCP选项，level是IPPROTO_TCP，对于IP，level是rpPROTO_IP。

选项	参数val的类型	描述
SO_ACCEPTCONN	int	返回信息指示该套接字是否能被监听（仅getsockopt）
SO_BROADCAST	int	如果*val非0，广播数据报
SO_DEBUG	int	如果*val非0，启用网络驱动调试功能
SO_DONTROUTE	int	如果*va1非0，绕过通常路由
SO_ERROR	int	返回挂起的套接字错误并清除（仅 getSOckopt）
SO_KEEPALIVE	int	如果*val非0，启用周期性keep-alive报文
SO_LINGER	struct 1inger	当还有未发报文而套接字已关闭时，延迟时间
SO_OOBINLINE	int	如果*val非0，将带外数据放在普通数据中
SO_RCVBUE	int	接收缓冲区的字节长度
SO_RCVLOWAT	int	接收调用中返回的最小数据字节数
SO_RCVTIMEO	struct timeval	套接字接收调用的超时值
SO_REUSEADDR	int	如果*val非0，重用bind中的地址
SO_SNDBUE	int	发送缓冲区的字节长度
SO_SNDLOWAT	int	发送调用中传送的最小数据字节数
SO_SNDTIMEO	struct timeval	套接字发送调用的超时值
SO_TYPE	int	标识套接字类型（仅getsockopt）

可以使用getsockopt函数来查看选项的当前值。

#include <sys/socket.h>
int getsockopt(int socyd, int level, int option, void *restrict val, socklen_t *restrict lenp);
//返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

16.7 外带数据

带外数据允许更高优先级的数据传输。带外数据先行传输，即使传输队列已经有数据。TCP支持带外数据，但是UDP不支持。

TCP将带外数据称为紧急数据，仅支持一个字节的紧急数据，但是允许紧急数据在普通数据传递机制数据流之外传输。

为了产生紧急数据，可以在3个send函数中的任何一个里指定MSG_OOB标志。如果带MSG_OOB标志发送的字节数超过一个时，最后一个字节将被视为紧急数据字节。

如果通过套接字安排了信号的产生，那么紧急数据被接收时，会发送SIGURG信号。
可以通过调用以下函数安排进程接收套接字的信号：fcntl(sockfdm F_SETOWNM, pid);

TCP支持在普通数据流中紧急数据所在的位置。如果采用套接字选项SO_OOBINLINE，那么可以在普通数据中接收紧急数据。为帮助判断是否已经到达紧急标记，可以使用函数sockatmark。

#include  <sys/socket.h>
int sockatmark(int sockfd);
//返回值：若在标记处，返回1；若没在标记处，返回0；若出错，返回-1

当下一个要读取的字节在紧急标志处时，sockatmark返回1。

16.8 非阻塞和异步I/O

在基于套接字的异步VO中，当从套接字中读取数据时，或者当套接字写队列中空间变得可用时，可以安排要发送的信号SIGIO。
fcntl(fd, F_SETOWN, pid)
ioctl(fd, FIOSETOWN, pid)
ioctl(fd, SIOCSPGRP, pid)
fcntl(fd, F_SETFL, flags l O_ASYNC)
ioctl(fd, FIOASYNC, &n);