socket编程及API简介

时间 2019-11-10

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什么是TCP/IP、UDP？编程

　　TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
这里有一张图，代表了这些协议的关系。服务器

Socket在哪里呢？
在上图中，咱们没有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？仍是用图来讲话，一目了然。网络

一、网络中进程之间如何通讯？

本地的进程间通讯（IPC）有不少种方式，但能够总结为下面4类：dom

消息传递（管道、FIFO、消息队列）
同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
共享内存（匿名的和具名的）
远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）

　　但这些都不是本文的主题！咱们要讨论的是网络中进程之间如何通讯？首要解决的问题是如何惟一标识一个进程，不然通讯无从谈起！在本地能够经过进程PID来惟一标识一个进程，可是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮咱们解决了这个问题，网络层的“ip地址”能够惟一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”能够惟一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就能够标识网络的进程了，网络中的进程通讯就能够利用这个标志与其它进程进行交互。socket

　　使用TCP/IP协议的应用程序一般采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通讯。就目前而言，几乎全部的应用程序都是采用socket，而如今又是网络时代，网络中进程通讯是无处不在，这就是我为何说“一切皆socket”。tcp

二、Socket是什么？

　　　上面咱们已经知道网络中的进程是经过socket来通讯的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，均可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操做。个人理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket便是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操做（读/写IO、打开、关闭），这些函数咱们在后面进行介绍。函数

三、socket的基本操做
既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操做对应的函数接口。下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。

3.一、socket()函数
```
int socket(int domain, int type, int protocol);
```
socket函数对应于普通文件的打开操做。普通文件的打开操做返回一个文件描述字，而socket()用于建立一个socket描述符（socket descriptor），它惟一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字同样，后续的操做都有用到它，把它做为参数，经过它来进行一些读写操做。ui

正如能够给fopen的传入不一样参数值，以打开不一样的文件。建立socket的时候，也能够指定不一样的参数建立不一样的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：spa
- domain：即协议域，又称为协议族（family）。经常使用的协议族有，AF_INET、AF_INET六、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通讯中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名做为地址。
- type：指定socket类型。经常使用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
- protocol：故名思意，就是指定协议。经常使用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。
注意：并非上面的type和protocol能够随意组合的，如SOCK_STREAM不能够跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。设计

当咱们调用socket建立一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。若是想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，不然就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。
3.二、bind()函数
正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。
```
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
```
函数的三个参数分别为：
- sockfd：即socket描述字，它是经过socket()函数建立了，惟一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
- addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址建立socket时的地址协议族的不一样而不一样，如ipv4对应的是：
```
struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};
```
  ipv6对应的是：
```
struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};

struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
};
```
  Unix域对应的是：
```
#define UNIX_PATH_MAX    108

struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};
```
- addrlen：对应的是地址的长度。
一般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，客户就能够经过它来接连服务器；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。这就是为何一般服务器端在listen以前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

网络字节序与主机字节序

主机字节序就是咱们日常说的大端和小端模式：不一样的CPU有不一样的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫作主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义以下：

　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

网络字节序：4个字节的32 bit值如下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，而后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称做大端字节序。因为TCP/IP首部中全部的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，所以它又称做网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。

因此：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序同样使用的是Big-Endian。因为这个问题曾引起过血案！公司项目代码中因为存在这个问题，致使了不少莫名其妙的问题，因此请谨记对主机字节序不要作任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

3.三、listen()、connect()函数
若是做为一个服务器，在调用socket()、bind()以后就会调用listen()来监听这个socket，若是客户端这时调用connect()发出链接请求，服务器端就会接收到这个请求。
```
int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
```
listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket能够排队的最大链接个数。socket()函数建立的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的链接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端经过调用connect函数来创建与TCP服务器的链接。
3.四、accept()函数
TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()以后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()以后就想TCP服务器发送了一个链接请求。TCP服务器监听到这个请求以后，就会调用accept()函数取接收请求，这样链接就创建好了。以后就能够开始网络I/O操做了，即类同于普通文件的读写I/O操做。
```
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
```
accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。若是accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，表明与返回客户的TCP链接。

注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已链接的socket描述字。一个服务器一般一般仅仅只建立一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每一个由服务器进程接受的客户链接建立了一个已链接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已链接socket描述字就被关闭。
3.五、read()、write()函数等
万事具有只欠东风，至此服务器与客户已经创建好链接了。能够调用网络I/O进行读写操做了，即实现了网咯中不一样进程之间的通讯！网络I/O操做有下面几组：
- read()/write()
- recv()/send()
- readv()/writev()
- recvmsg()/sendmsg()
- recvfrom()/sendto()
我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上能够把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明以下：
```
       #include <unistd.h>

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

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

       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
       ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
```
read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，若是返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。若是错误为EINTR说明读是由中断引发的，若是是ECONNREST表示网络链接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。在网络程序中，当咱们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是所有的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。咱们要根据错误类型来处理。若是错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。若是为EPIPE表示网络链接出现了问题(对方已经关闭了链接)。

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。
3.六、close()函数
在服务器与客户端创建链接以后，会进行一些读写操做，完成了读写操做就要关闭相应的socket描述字，比如操做完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。
```
#include <unistd.h>
int close(int fd);
```
close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，而后当即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再做为read或write的第一个参数。

注意：close操做只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止链接请求。

四、socket中TCP的三次握手创建链接详解
咱们知道tcp创建链接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大体流程以下：
- 客户端向服务器发送一个SYN J
- 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
- 客户端再想服务器发一个确认ACK K+1
只有就完了三次握手，可是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：
图一、socket中发送的TCP三次握手
从图中能够看出，当客户端调用connect时，触发了链接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到链接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1以后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，链接创建。

总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。
五、socket中TCP的四次握手释放链接详解

　　面介绍了socket中TCP的三次握手创建过程，及其涉及的socket函数。如今咱们介绍socket中的四次握手释放链接的过程，请看下图：

图二、socket中发送的TCP四次握手

图示过程以下：

某个应用进程首先调用 close主动关闭链接，这时TCP发送一个FIN M；
另外一端接收到FIN M以后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也做为文件结束符传递给应用进程，由于FIN的接收意味着应用进程在相应的链接上再也接收不到额外数据；
一段时间以后，接收到文件结束符的应用进程调用 close关闭它的socket。这致使它的TCP也发送一个FIN N；
接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每一个方向上都有一个FIN和ACK。