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UNP_4_基本TCP套接字编程

Posted on Mar 4, 2020

4.1 概述

  本章编写完整的TCP客户、服务程序所需要的套接字函数，并编写程序。同样包括并发服务器，通过派生子进程来处理新的连接

4.2 socket函数

调用socket函数来确定通讯协议的类型：使用 Ipv4 的 TCP，使用 Ipv6 的 UDP, Unix 域等等

#include <sys/socket.h>
int socket(int family, int type, int protocol);
//返回:成功为非负描述符，若出错则为-1

参数解析：famiy:代表协议族，type指明套接字类型
protocol设置为某个协议类型常值，或0，用来选择所选family和type组合的系统默认值

这里仅仅使用socket来获得一个套接字描述符，并给其绑定协议族和套接字类型，并没有指定本地协议地址和远程协议地址

  • AF_XX 和 PF_XX 的差别不做考虑

4.3 connect函数

TCP客户用connect来建立与TCP服务器的连接

#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr* servaddr, socklen_t addrlen);
//返回：成功返回0，出错返回-1

参数解析：sockfd是由socket返回的套接字描述符，第二个，第三个参数分别是一个指向套接字地址结构的指针和该结构的大小，套接字地址使用的是通用套接字地址结构，使用时需要进行类型转换，包含服务器的 IP + port

套接字地址结构必须含有服务器的IP地址和端口号，客户端调用connect不需要调用bind，因为内核会自动确定IP以及一个临时端口

TCP套接字在调用connect会进行三次握手过程，而且仅在建立连接成功的情况下或出错才会返回，出错返回有以下几种情况

  1. TCP客户没有收到SYN分节的响应，返回ETIMEDOUT错误，举例来说，发送一个SYN，无响应6s会重发，再无响应24s重发，再无响应75s再发一次，仍未收到则返回错误
  2. 若对客户的响应是RST（复位），则表示服务器在我们所访问的端口上并无进程等待与之连接，直接返回ECONNREFUSED错误 RST是TCP发生错误时返回的一种TCP分节，三种产生RST的方式为：
    1. 目的端口SYN到达，但并没有进程正在等待，返回RST
    2. TCP想取消一个已有连接
    3. TCP接收到一个根本不存在的连接上的分节
  3. 客户端发送的SYN在中间的路由上引发了“目的地不可达”ICMP错误，软错误，按第一种方式进行多次重发，如果仍未收到，则返回ICMP错误消息返回

connect 函数让客户端套接字从 CLOSED 状态，转换至 SYN_SEND 状态，三次握手成功后转换为 ESTABLISHED 状态。若失败，该套接字不可以使用，不可以在调用 connect。

4.4 bind函数

    bind函数把本地的协议地址赋予一个套接字。根据协议类型，可以是 32 位的 Ipv4 地址或 128 位的 Ipv6 地址加 16 位的 TCP 或 UDP 端口号

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct *myaddr, socklen_t addrlen);

参数解析：第一个参数，是用来进行绑定的文件描述符，第二个参数是一个指向特定协议地址结构的指针，第三个参数是地址结构的长度

INADDR_ANY 是用来指定通配地址的常值，其值一般为 0，告知内核自己选择 IP 地址，Ipv6 使用 in6addr_any 来设置

服务器可以通过 bind 来绑定一个众所周知的端口，否则系统自动为其分配，但是这种情况十分少见，比如远程过程调用（RPC）
进程也可以默认绑定一个 IP，但必须是本地对外的端口
bind经常返回 EADDRINUSE 错误，表示地址已使用

4.5 listen函数

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

listen 仅由 TCP 服务器进行调用

  • 当 socket 创建一个套接字时，他被假设为一个主动套接字，它是一个将调用 connect 发起连接的客户套接字。listen 把一个未连接的套接字变为一个被动的套接字，指示内核应接收指向该套接字的连接请求。调用 listen 将套接字由 CLOSE 态转换为 LISTEN 状态。
  • 本函数的第二个参数用来指定队列最大个数
    • 未完成连接队列，由某客户端发送SYN到服务器，但还未完成三次握手过程，套接字处于STN_RCVD状态
    • 已完成连接队列，已完成三次握手，套接字处于ESTABLISHED状态 不同系统对这个参数有不同的解释，有加一，有加三等等

当来自客户端的 SYN 到达时，TCP 在未完成队列上创建一个连接，响应该 SYN，直到完成三次握手才会将其移动至完成连接队列的队尾，当服务器调用 accept 时，会从已完成队列的队首进行返回，为空则会睡眠，直到添加完成的连接才会唤醒。

不要设置为 0 ，不同系统解释不同，不想使用可以关闭套接字 如果收到一个 SYN 但是未完成队列已满，忽略它，并且不返回 RST，等待客户端重新发送

4.6 accept函数

accept函数由TCP服务进行调用，用于从已完成队列中返回下一个已完成连接，如果已完成队列为空，则投入睡眠

#include < sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr* cliaddr, socklen_t *addrlen);

参数 cliaddr，addrlen 用来返回已完成连接的客户端的协议地址，addr_len 是值-结果参数
如果accept成功则返回一个由内核自动生成的描述符，代表与所返回的客户的链接
accept第一个参数为监听字套接符，称它的返回值为已连接套接字描述符
一个服务器同城仅仅创建一个套接字描述符，在他的生命周期中一直存在，内核为每个新的连接创建一个套接字描述符（TCP三次握手已经完成），当服务器完成对应的操作，相应的已连接套接字旧会关闭。
如果对客户端协议地址不感兴趣则可以将后两个参数置为空指针。

4.7 fork,exec函数

fock()函数，Unix中用来生成进程的唯一函数

#include<unistd.h>
pid_t fork(void); // 子进程中返回 0，父进程返回子进程 ID，出错为 -1

任何子进程仅有一个父进程，子进程可以通过调用 getppid 来获取父进程的 ID，父进程可以有许多子进程，他必须保存所有子进程的 ID，才可以进行跟踪子进程。
父进程调用 fork 前打开的所有描述符均和子进程进行共享，通过这可以将 accept 完成后在父进程关闭连接套接字，并在子进程中进行套接字的读写。

4.8 并发服务器

处理长时间的连接请求，并希望同时处理多个的情况下可以采用并发服务器，最简单的方式采用fork()来处理每一个客户

eg:
pid_t pid;
int listenfd,connfd;
// 服务器开始监听
listenfd = Socket();
Bind(listenfd, ...);
Listen(listenfd, LISTENQ);

for(;;){
    confd = Accept(listenfd, ...);
    if((pid = Fork()) == 0){
        // 子进程进行处理操作
        Close(listenfd);
        doit(connfd);
        Close(connfd);
        exit(0)
    }
    // 关闭套接字描述符
    Close(connfd);
}
  • 子进程完成服务后显式 close 描述符，其实没有这个必要，因为后面调用 exit 函数会关闭所有套接字描述符
  • 这里子进程关闭监听套接字，父进程则继续等待并关闭已连接套接字。（这里需要格外注意一下，每个套接字描述符均有一个引用计数，只有当引用计数为0时才释放描述符，所以父进程进行close时不会断开连接，因为子进程还在使用，引用计数 > 1）

4.9 close函数

通常Unix使用close来进行套接字的关闭，当引用计数为 0 时，会终止TCP连接。

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

close一个套接字默认行为是将其标记成以关闭，然后立即返回到调用进程，即该套接字不能再使用read，write操作

如果我们确实想关闭一个套接字（在其引用计数不为0的情况下）这里使用shutdown()函数即可实现

如果父进程（这里默认子进程结束后关闭描述符）对每个套接字均不进行close操作，最后会耗尽描述符的个数，更为重要的是，没有一个客户链接会被终止。

4.10 getsockname，getpeername函数

这两个函数或者返回与某某个套接字关联的本地协议地址，或者返回与某个套接字关联的外地协议地址。

#include <sys/socket.h>
int getsockname(int sockfd, struct sockaddr *localaddr, socklen_t *addrlen);
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *peeraddr, socklen *addrlen);
//二者成功均返回一，失败均返回0
  • 在一个不调用 bind 的 TCP 客户上，可以使用 getsockname 来获取内核分配的地址和端口号
  • 在一个调用 bind 但端口号为 0 的 TCP 客户上，可以使用 getsockname 来获取内核分配端口号
  • getsockname 可以用于获取某个套接字的地址族
  • 更多情景这里没有详解

小结

所有客户端和服务器端均从调用 socket 开始，大多数 TCP 服务器是并发的，为每个客户连接调用一个 fork。大多数 UDP 服务器是迭代的 服务器：socket->bind->listen->accept->close(shotdown) 客户端: socket->(bind)->connect->close(shutdown)