计算机网络总结（三）——socket

时间  2020-12-26 标签 socket 笔试 计算机网络

1、前言

1.1、网络中进程如何通信？

本地的进程间通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：

  • 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）

众所周知，网络间的进程通信最首要要解决的就是如何找到目标进程。

在本地我们可以通过简单的进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是不可能的。

其实 TCP/IP 协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的 “ip 地址” 可以唯一标识网络中的主机，而传输层的 “协议 + 端口” 可以唯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）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用 TCP/IP 协议的应用程序通常采用应用编程接口：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信。

就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用 socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在， “一切皆 socket”。

1.2、 socket是什么？

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

其在计算机中的位置如下：

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2、socket 基本概念

Socket 是对 TCP/IP协议族的一种封装，是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层。从设计模式的角度看来，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

Socket 还可以认为是一种网络间不同计算机上的进程通信的一种方法，利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以唯一标识网络中的进程，网络中的进程通信可以利用这个标志与其它进程进行交互。

Socket 起源于 Unix ，Unix/Linux 基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开(open) –> 读写(write/read) –> 关闭(close)”模式来进行操作。因此 Socket 也被处理为一种特殊的文件。

3、socket的基本操作

3.1、socket()函数

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

socket函数和普通文件的打开操作类似。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建并返回一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。

这个socket描述字跟文件描述字一样，我们把它作为我们和对方进程交互的唯一凭证，通过它来进行读写操作。

正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

  • domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、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，在通信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作为地址。
  • type：指定socket类型。常用的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。常用的协议有，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：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个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。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

3.2、bind() 函数

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，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个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创建socket时的地址协议族的不同而不同。
  • addrlen：对应的是地址的长度。

通常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，客户就可以通过它来接连服务器；

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。

这就是为什么通常服务器端在listen()之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

3.3、listen()，connect()函数

从名字就可以看出，客户端调用connect()连接服务器，服务器调用listen()等待客户端的连接。

其函数如下：

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可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

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。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

3.4、accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。

客户端在调用socket()和connect()之后就会向服务器发送一个连接请求。

这时候服务器收到请求就会通过调用accept()函数同意客户端的请求，这时候两者就建立了TCP连接。

然后就可以建立网络连接进行数据传输了。

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。如果accept()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，代表与返回客户的TCP连接。

3.5、read()，write()等函数

当两者建立了连接之后，就可以开始通过网络I/O模型进行数据交换了。这种读写操作有如下的形式：

  • read() / write()
  • recv()/send()
  • readv()/writev()
  • recvmsg()/sendmsg()
  • recvfrom()/sendto()

最通用的就是recvmsg()/sendmsg()函数，上面的所有读写操作其实都可以通过这两个函数进行替换

声明如下：

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，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。

如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

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，当我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全部的数据
  2. 返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

3.6、close()函数

顾名思义，关闭连接，在数据传输完毕之后就要进行链接的关闭，一般关闭由客户端进行发起。

定义如下，

int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意：close操作只是使相应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连接请求。

socket通信的图示流程

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参考

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