Posix API与网络协议栈实现原理

一、Posix简介

1.1 什么是Posix（Portable Operating System Interface of UNIX ）

Posix，意为可移植操作系统接口，它定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准。

1.2 作用

Posix标准旨在期望获得源代码级别的软件可移植性。比如：在linux下写的程序，预期在Windows下也能正常运行。

二、Posix网络API

2.1网络编程客户端和服务端常用API

2.2 客户端和服务端代码示例

2.2.1 服务端server.cpp

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
int main(int argc,char *argv[])
{
  if (argc != 2)
  {
    printf("Using:./server port\nExample:./server 5005\n\n"); return -1;
  }
  // 第1步：创建服务端的socket。
  int listenfd;
  if ( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) 
  { 
	  perror("socket"); 
	  return -1; 
  }

  // 第2步：把服务端用于通信的地址和端口绑定到socket上。
  struct sockaddr_in servaddr;    // 服务端地址信息的数据结构。
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;  // 协议族，在socket编程中只能是AF_INET。
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);          // 任意ip地址。
  //servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.190.134"); // 指定ip地址。
  servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));  // 指定通信端口。
  if (bind(listenfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0 )
  { 
	  perror("bind"); 
	  close(listenfd); 
	  return -1; 
  }

  // 第3步：把socket设置为监听模式。
  if (listen(listenfd,5) != 0 ) 
  { 
	  perror("listen"); 
	  close(listenfd); 
	  return -1; 
  }
 
  // 第4步：接受客户端的连接。
  int  clientfd;                  // 连上来的客户端socket。
  int  socklen = sizeof(struct sockaddr_in); // struct sockaddr_in的大小
  struct sockaddr_in clientaddr;  // 客户端的地址信息。

  clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, (socklen_t*)&socklen);
  printf("client (%s) connect server success。。。\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr));
 
  // 第5步：与客户端通信，接收客户端发过来的报文后，将该报文原封不动返回给客户端。
  char buffer[1024];
  // memset(buffer, 0, 1024);
  while (1)
  {
	    int ret;
	    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
	    // 接收客户端的请求报文。
	    if ( (ret = recv(clientfd, buffer, sizeof(buffer), 0)) <= 0) 
	    {
	       printf("ret = %d , client disconected!!!\n", ret); 
	       break;   
	    }
	    printf("recv msg: %s\n", buffer);
	 
	    // 向客户端发送响应结果。
	    if ( (ret = send(clientfd, buffer, strlen(buffer), 0)) <= 0) 
	    { 
		    perror("send"); 
		    break; 
	    }
	    printf("response client: %s success...\n", buffer);
	  
	}
	// 第6步：关闭socket，释放资源。
	close(listenfd); 
	close(clientfd); 
	return 0;
}

2.2.2 客户端client.cpp

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
int main(int argc,char *argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		printf("Using:./client ip port\nExample:./client 127.0.0.1 5005\n\n"); return -1;
	}

	// 第1步：创建客户端的socket。
	int sockfd;
	if ( (sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) 
	{ 
		perror("socket"); 
		return -1; 
	}
	
	// 第2步：向服务器发起连接请求。
	struct hostent* h;
	if ( (h = gethostbyname(argv[1])) == 0 )   // 指定服务端的ip地址。
	{ printf("gethostbyname failed.\n"); close(sockfd); return -1; }
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); // 指定服务端的通信端口。
	memcpy(&servaddr.sin_addr,h->h_addr,h->h_length);

	// 向服务端发起连接清求。
	if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) != 0)  
	{ 
		perror("connect"); 
		close(sockfd); 
		return -1; 
	}

	char buffer[1024];
	
	// 第3步：与服务端通信，发送一个报文后等待回复，然后再发下一个报文。
	for (int i = 0; i < 3; i++)
	{
		int ret;
		memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
		sprintf(buffer, "这是第[%d]条消息!", i+1);
		if ( (ret = send(sockfd, buffer, strlen(buffer),0)) <= 0) // 向服务端发送请求报文。
		{ 
			perror("send"); 
			break; 
		}
		printf("发送：%s\n", buffer);

		memset(buffer,0,sizeof(buffer));
		if ( (ret = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0)) <= 0) // 接收服务端的回应报文。
		{
			printf("ret = %d error\n", ret); 
			break;
		}
		printf("从服务端接收：%s\n", buffer);
		sleep(1);
	}
	
	// 第4步：关闭socket，释放资源。
	close(sockfd);
}

运行结果：

2.3 着重分析以下几个函数

2.3.1 socket函数

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

调用socket()函数会创建一个套接字（socket）对象。套接字由两部分组成，文件描述符（fd）和 TCP控制块（Tcp Control Block，tcb） 。Tcb主要包括关系信息有网络的五元组（remote IP，remote Port， local IP， local Port， protocol），一个五元组就可以确定一个具体的网络连接。

2.3.2 listen 函数

listen(int listenfd, backlog);

服务端在调用listen()后，就开始监听网络上连接请求。第二个参数 backlog， 在Linux是指全连接队列的长度，即一次最多能保存 backlog 个连接请求。

2.3.3 connect 函数

客户端调用connect()函数，向指定服务端发起连接请求。

2.3.4 accept 函数

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept()函数只做两件事，将连接请求从全连接队列中取出，给该连接分配一个fd并返回。

2.3.5 三次握手过程分析

三次握手与listen/connect/accept三个函数有关，这里放到一起进行描述。

1. 客户端调用 connect 函数，开始进入三次握手。客户端发送syn包，以及带着随机的seq；
2. 服务端listen函数监听到有客户端连接，listen函数会在内核协议栈为该客户端创建一个Tcb控制块，并将其加入到半连接队列。服务端在收到syn包后，会给客户端恢复ack和syn包；
3. 客户端收到服务端的ack和syn后再次恢复ack，连接建立成功。
4. 服务端在收到客户端的ack后，会将该客户端对应的Tcb数据从半连接队列移动到全连接队列。只要全连接队列中有数据就会触发accept，返回连接成功的客户端fd、IP以及端口。此时，Tcb完整的五元组构建成功。

2.3.6 常见面试问题

• 为什么要三次握手？
  答：因为一个完整的TCP连接需要双方都得到确认，客户端发送请求和收到确认需要两次；服务端发送请求和收到确认需要两次，当中服务回复确认和发送请求合并为一次总共需要3次；才能保证双向通道是通的。

• 一个服务器的端口数是65535，为何能做到一百万的连接？
  答：主要是因为一条连接是由五元组所组成，所以一个服务器的连接数是五个成员数的乘积。

• 如何应对Dos（Deny of Service，拒绝服务）攻击
  答：Dos攻击就是利用三次握手的原理，模拟客户端只向服务器发送syn包，然后耗尽被攻击对象的资源。比较多的做法是利用防火墙，做一些过滤规则

2.4 send/recv 函数

至此，客户端与服务端已经成功建立连接，就可以相互通信了。

send/recv 函数主要负责数据的收发。

2.4.1 过程分析

• send函数：负责将数据从用户空间拷贝到内核（具体是拷贝到该连接对应的Tcb控制块中的发送缓冲区）。注意：send函数返回并不意味着数据已成功发送，因为数据在到达内核缓冲区后，内核会根据自己的策略决定什么时候将数据发出。
• recv函数：负责将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间。同理，数据也显示到达该连接对应的Tcb控制块的接受缓冲区。

2.4.2 常见面试问题

• 如何解决Tcp的粘包问题？
  答：（1） 在包头上添加一个数据包长度的字段，用于数据的划分，实际项目中这个也用的最多；（2）包尾部加固定分隔符；

• Tcp如何保证顺序到达？
  答：顺序到达是由于TCP的延迟ACK的机制来保证的，TCP接收到数据并不是立即回复而是经过一个延迟时间，回复接收到连续包的最大序列号加1。如果丢包之后的包都需要重传。在弱网情况下这里就会有实时性问题和带宽占用的问题；

2.5 close 函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成读写操作后我们需要关闭相应的socket，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件一样。close过程涉及到四次挥手的全过程

2.5.1 四次挥手流程：

1. 客户端调用close函数，内核会发送fin包，客户端进入fin_wait1状态；
2. 服务端收到fin包回复ack，客户端进入close_wait状态。此时，客户客户端往服务端发送的通道就关闭了，因为Tcp是全双工的，服务端还可以向客户端发数据。
3. 客户端收到ack，进入到fin_wait2状态；
4. 服务端发送完数据，发送fin包，服务端进入last_ack状态；
5. 客户端收到fin包后，回复ack，进入到time_wait状态；
6. 服务端收到ack，双方连接正常关闭。

注意：close操作只是让相应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。

2.5.2 双方同时调用close

2.5.2 常见面试题

• time_wait 作用？
  答：防止最后一个ACK没有顺利到达对方，超时重新发送ack。time_wait时常一般是120s可以修改。
• 服务器掉线重启出现端口被占用怎么办？
  答：其实主要是由于还处于time_wait状态，端口并没有真正释放。这时候可以设置SO_REUSEADDR属性，保证掉线能马上重连。

3. Tcp状态机

文章参考于<零声教育>的C/C++linux服务期高级架构