《UNIX环境高级编程》(APUE) 笔记第十六章 - 网络IPC：套接字

16 - 网络IPC:套接字

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1. 网络 IPC

经典进程间通信机制 （ IPC ）：管道、FIFO 、消息队列、信号量和共享存储，允许在同一台计算机上运行的进程之间通信 。

网络进程间通信 是不同计算机（通过网络连接）上的进程相互通信的机制 。（也可用于计算机内通信）

2. 套接字描述符

套接字 是通信端点的抽象，应用程序用 套接字描述符 访问套接字 。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 
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，表示各个域的常数都以 AF_ 开头，意指 地址族：

参数 \(type\) 确定套接字的类型，进一步确定通信特征：

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 。当对同一域和套接字类型支持多个协议时，使用 \(protocol\) 选择一个特定协议 ：

AF_INET 通信域中，套接字类型 SOCK_STREAM 默认协议是 TCP ，要求在交换数据之前，在本地和通信的对等进程之间建立一个 逻辑连接 ，提供面向连接的字节流服务 ；套接字类型 SOCK_DGRAM 默认协议是 UDP ，两个对等进程之间通信时不需要逻辑连接 。

流控制传输协议 (SCTP) 提供了因特网域上的顺序数据包服务。（ SOCK_SEQPACKET ）

SOCK_RAW 套接字提供一个数据报接口，用于直接访问下面的 网络层 ( IP层 ) 。使用这个接口时，应用程序负责构造自己的协议头部 。

不再需要套接字时，使用 close 函数 关闭对套接字的访问 ，并且释放该描述符以便重新使用 。

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 
int shutdown(int sockfd, int how);
//返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

如果 \(how\) 是 SHUT_RD （关闭读端），那么无法从套接字读取数据；如果 \(how\) 是 SHUT_WR （关闭写端），那么无法使用套接字发送数据 ；如果 \(how\) 是 SHUT_RDWR ，则既无法读取数据，又无法发送数据 。

使用 shutdown 的原因：

• 只有最后一个文件描述符引用被关闭时，close 才释放网络端点；而 shutdown 允许使一个套接字处于不活动状态，和引用它的文件描述符数目无关
• 可以很方便地关闭套接字双向传输中的一个方向

3. 寻址

进程标识 用于标识一个目标通信进程 。它由两部分组成：

• 计算机的网络地址：用于标识网络上我们想与之通信的计算机
• 该计算机上用 端口号 表示的服务，它可以帮助标识特定的进程

3.1 字节序

字节序 是一个处理器架构特性，用于指示像整数这样的大数据类型内部的字节如何排序 ：

• 大端字节序：最大字节地址出现在数据最低有效字节（ LSB ）上
• 小端字节序：最小字节地址出现在数据最低有效字节上

最高有效字节（ MSB ）总是在左边，最低有效字节（ LSB ）总是在右边 。

网络协议指定了字节序，因此异构计算机系统能够交换协议信息而不会被字节序所混淆 。

TCP/IP 协议栈使用大端字节序，有 \(4\) 个用来在处理器字节序和网络字节序之间实施转换的函数：

#include 
unit32_t htonl(uint32_t hostint32);	//返回：以网络字节序表示的 32 位整数
unit64_t htons(uint16_t hostint16);	//返回：以网络字节序表示的 16 位整数
unit32_t ntohl(uint32_t netint32);	//返回：以主机字节序表示的 32 位整数
unit16_t ntohs(uint16_t netint16);	//返回：以主机字节序表示的 16 位整数

3.2 地址格式

一个地址标识一个特定通信域的套接字端点 。为使不同地址格式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：

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

因特网地址 定义在 头文件中 。在 IPv4 因特网域（ AF_INET ）中，套接字地址用结构 sockaddr_in 表示：

struct in_addr {
    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（ AF_INET6 ）套接字地址用结构 sockaddr_in6 表示 。sockaddr_in 与 sockaddr_in6 结构相差比较大，但它们均被强制转换成 sockaddr 结构输入到套接字例程中 。

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 
const char *inet_ntop(int domain, const void *restrict addr,
                     char *restrict str, socklen_t size);
//将网络字节序的二进制地址转换成文本字符串格式
//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);
//将文本字符串格式转换成网络字节序的二进制地址
//返回值：若成功，返回 1；若格式无效，返回 0；若出错，返回 -1

\(domain\) 参数仅支持两个支持值：AF_INET 和 AF_INET6 。

3.3 地址查询

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 
#include 
int getaddrinfo(const char *restrict host, const char *restrict service,
               	const struct addrinfo *restrict hint, struct addrinfo **restrict res);
//返回值：若成功，返回 0；若出错，返回非 0 错误码

需要提供 主机名 、服务名 ，或者两者都提供 。如果只提供一个名字，则另一个必须是一个空指针 。

参数 \(res\) 为返回值 ，是一个链表结构 addrinfo 。

\(hint\) 是一个用于过滤地址的模板 。

getnameinfo 函数 将一个地址转换成一个主机名和一个服务名：

#include 
#include 
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

套接字地址（ \(addr\) ）被翻译成一个主机名和一个服务名 。如果 \(host\) 非空，则指向一个长度为 \(hostlen\) 的缓冲区用于存放返回的主机名；如果 \(service\) 非空，则指向一个长度为 \(servlen\) 字节的缓冲区用于存放返回的主机名 。

3.4 套接字与地址关联

使用 bind 函数来 关联地址和套接字 ：

#include 
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 
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 
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

4. 建立连接

如果处理一个 面向连接 的网络服务（ SOCK_STREAM 或 SOCK_SEQPACKET ），那么在开始交换数据之前，需要在请求服务的进程套接字（客户端）和提供服务的进程套接字（服务器）之间建立一个连接 。

使用 connect 函数来建立连接：

#include 
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 。

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 。

注：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 愿意接收连接请求：

#include 
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 
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

函数 accept 返回的文件描述符是套接字描述符，该描述符连接到调用 connect 的客户端 。这个新的套接字描述符和原始套接字 \(sockfd\) 具有相同的套接字类型和地址族 。传给 accept 的原始套接字没有关联到这个连接，而是 继续保持可用状态并接收其他连接请求 。

若不关心客户端标识，可以将 \(addr\) 和 \(len\) 设为 NULL 。否则，在调用 accept 之前，将 \(addr\) 参数设为足够大的缓冲区来存放地址，并且将 \(len\) 指向的整数设为这个缓冲区的字节大小 。返回时，accept 会在缓冲区填充客户端的地址，并且更新指向 \(len\) 的整数来反映该地址的大小 。

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 。

服务器可以使用 poll 或者 select 来等待一个请求的到来 。这种情况下，一个带有等待连接请求的套接字（服务器的）会以 可读 的方式出现 。

5. 数据传输

5.1 发送数据的函数

send 函数：

#include 
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 。

send 成功 返回 时，数据已被无错误地发送到 网络驱动器 上，并不表示连接的另一端的进程就一定接受了数据 。

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 
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

还可以调用带有 msghdr 结构的 sendmsg 来 指定多重缓冲区传输数据：

#include 
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, in flags);
//返回值：若成功，返回发送的字节数；若出错，返回 -1

5.2 接收数据的函数

recv 函数：

#include 
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

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 
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

recvfrom 通常用与无连接的套接字 。

为了将接收到的数据送入 多个缓冲区 ，或者想接收辅助数据，可以使用 recvmsg：

#include 
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
//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

recvmsg 用 msghdr 结构指定接收数据的输入缓冲区 。

6. 带外数据

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 。