UNIX网络编程(UNP) 第四章学习笔记

总括内容

我们不妨先来看下tcp客户端/服务端程序的套接字函数

我们可以看到服务端的起始到结束包含了 socket()->bind()->listen()->read()<->write()->close()

而客户端则是socket()->connect()->write()<->read()->close()

接下来，我们顺着这个调用顺序，从socket开始讲解tcp套接字函数

socket函数

函数定义

socket函数在里面，函数定义为

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

期中family是协议族，就是指示是使用IPv4还是IPv6或者一些更特殊的协议族，常用的主要是AF_INET,AF_INET6,分别表示IPv4和IPv6

type则是套接字类型，包括字节流套接字，数据包套接字等，常用的主要是SOCK_STREAM(常用于TCP),SOCK_DGRAM(UDP)

protocol是指特定的协议，因为family和protocol一般组合起来已经可以确定协议，所以可以填0表示使用默认值，不过也可以特别用来指定使用STCP等

常用套路

int tcp_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//应用于IPv4协议采用tcp
int udp_fd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);//应用于IPv4协议采用udp

具体解释

下面是family具体可取值以及解释

family	意义
AF_INET	IPv4协议
AF_INET6	IPv6协议
AF_LOCAL	unix域协议
AF_ROUTE	路由套接字
AF_KEY	秘钥套接字

下面则是type具体可取值以及解释

type	意义
SOCK_STREAM	字节流套接字，常用于TCP
SOCK_DGRAM	数据包套接字，常用于UDP
SOCK_SEQPACKET	有序分组套接字，常用于SCTP
SOCK_RAW	原始套接字，可以认为是IP层

我们之前提到两两组合的可能性，下面是特定的family和type组合后的结果，空格表示不可组合

	AF_INET	AF_INET6	AF_LOCAL	AF_ROUTE	AF_KEY
SOCK_STREAM	TCP/SCTP	TCP/SCTP	可用
SOCK_DGRAM	UDP	UDP	可用
SOCK_SEQPACKET	SCTP	SCTP	可用
SOCK_RAW	IPv4	IPv6		可用	可用

下面是protocol的具体取值，可以看到就是tcp,udp和sctp

protocol	说明
IPPROTO_CP	TCP传输协议
IPPROTO_UDP	UDP传输协议
IPPROTO_SCTP	STCP传输协议

题外话

其实除了AF_之外，还有PF_,因为最早的时候，人们曾经想过一个协议族(PF)可以支持多个地址族(AF)，然后PF用于创建套接字，AF用于创建地址，但实际时从来没有使用过，PF一般默认就是跟AF同值，不然可能会崩溃

connect函数

函数定义

int     connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen) ;

期中sockfd是从socket函数返回的文件描述符，servaddr则是目标服务器的地址，addrlen则是服务器长度

当然，你可以在connect之前调用bind去绑定一个ip地址，但是其实对于客户端来说，调用connect的时候系统就会识别IP地址，并且自动指定一个端口给你了

常用套路

if ((status=connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr))<0){}//connect返回如果小于0，代表着发生了错误

具体解释

connect会触发三次握手，然后只有在成功或者出错的时候返回，出错的原因可能有：

1. 如果TCP客户端没有收到SYN的响应（就是三次握手中的ACK），那么就会触发ETIMEOUT，具体来说，调用CONNECT的时候，会先发一次SYN报文，没有响应的话，等待6秒之后再发一次报文，如果还没有响应，那么等待24秒之后发第三次SYN报文，最后等待总共75s，如果还没有就返回ETIMEOUT
2. 如果SYN报文获得的响应是RST报文，代表着对端根本没有正在等待的进程，这是一种硬错误(hard error),此时会立即触发ECONNREFUSED
3. 如果SYN报文获得的响应是"destination unreachable"的ICMP报文，那么系统认为这是软错误，内核会保存这条信息，然后按照第一种情况描述的时间间隔继续发送SYN报文，然后也是在规定时间（BSD规定为75s)之后如果没有收到响应，那么就会将保存的ICMP错误作为EHOSTUNREACH或者ENETUNREACH错误发送回进程

题外话

• 之前提到如果收到RST报文就xxx，那么什么情况下会收到RST报文呢？

  1. 如上所述，SYN报文已经达到了服务器，但是没有对应的进程在监听
  2. 服务器想要取消这次连接
  3. TCP服务器有监听，但是这个请求是来自于根本不存在的连接（比如说之前有一个连接发送了分包迷路了，然后好不容易找回来，这时候连接已经不在了）

• 会因为什么情况收到ICMP报文呢?

  1. 按照本地的转发表，目标是不可达的
  2. connect调用不等待就返回

• 虽然我们说会返回ENETUNREACH，但是其实网络不可达的信息一般认为已过时，我们一般只会返回EHOSTUNREACH

  看起来名字很冗长，其实就是E-HOST-UNREACH 以及E-NET-UNREACH

• 当我们使用socket函数之后，套接字处于CLOSED状态，调用connec的话，会进入SYN_SENT状态，如果成功的话，套接字会进入ESTABLISHED状态，但是如果失败了，那么这个套接字就不能再用connect了，必须close掉然后重新connect

• 具体来说，如果ASN到达服务器，只是没有对应的进程，就会返回RST报文（第二种情况），如果在过程中发现不可达，那么就返回ICMP报文，如果什么事情都没有发生，只是单纯的（可能因为丢包什么的）而没有消息，就返回timeout

实战尝试

首先我们要祭出一个用来访问13端口（获取时间）的client，这是第二章里面的内容，然后，我们可以开始模仿上述条件

1. 当访问得不到响应的时候，触发Timeout（等待的时间会比较长，约75s)

   一个简单的方法，是请求连接一个子网上没有的节点比方说（192.168.1.100）,然后arp试图找到相应硬件失败就会触发了

2. RST报文

   空缺

3. ICMP

   空缺

bind函数

函数定义

int     bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);//成功返回0，否则返回-1

bind会试图讲一个本地协议地址与套接字绑定，本地协议地址是 32位的ipv4地址/128位的ipv6地址+16位的UDP/TCP端口号

常用套路

struct sockaddr_in servaddr; 
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); //初始化servaddr
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //表示通配IP地址
servaddr.sin_port = htons(13); //表示绑定13端口（这是周知端口，用来汇报时间）
bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));//绑定

具体解释

• IP地址的选择可以是通配的（如上述htonl(INADDR_ANY)），在这种情形下，对于客户端来说，内核会根据所用的外出网络接口来确定使用的IP地址，如果是服务器，内核则会将SYN报文中指定的目的IP地址作为服务器的源IP地址（注意这里面说的概念，你可以认为一个主机可以有多个IP地址，比方说服务器能收到SYN报文，说明服务器的确有这么个IP）

  当然也可以选择绑定主机有的网络接口的IP地址，在这种情形下，对于客户端来说，就相当于指定了自己的IP地址（一般来说客户端不需要绑定），对于服务端来说，就限定了这个套接字接受连接的范围

• port也同样是可以通配的（通过指定0来实现），事实上，无论是客户端还是服务器，如果在调用connect和listen之前没有调用bind函数，内核都会随机指定一个端口，这对于客户端来说是可以接受的，但是服务端一般不可以，因为服务端依赖于周知端口来被人所认识（不然客户端不知道该用什么样的端口来访问服务端）

  一个例外是rpc服务器

• 如果让内核指定随机端口，bind的返回值并不指示端口号码，我们要用getsockname()来返回协议地址

• 如果端口随机，那么会在调用bind的时候分配一个随机端口，但是如果IP地址随机，那么会在第一次成功建立连接（TCP）或者在套接字上成功发出数据报的时候才确定（UDP）

listen函数

函数定义

int     listen(int sockfd, int backlog);

listen函数主要完成两件事情：

1. 经过socket函数得到的套接字默认是被动套接字（客户端），不能接受请求，调用listen可以将被动套接字转换成主动套接字（从Closed状态转移为Listen状态）
2. listen还会指定backlog数字

常用套路

Listen(listenfd, LISTENQ);// 这里面LISTENQ是作者指定的1024，因为本着如果不支持这么大的backlog，那么内核会裁切的原则，如果检索会发现，很多实现设置为128

具体解释

要理解backlog的含义，我们需要理解，如果我们回顾三次握手，我们会注意到服务器接收到SYN报文然后发送ACK并且进入SYN_RCVD状态，与最后收到ACK进入ESTANBLISHED状态，是有时间差的，因此当前的实现，是用两个队列，一个存储的是进入SYN_RCVD的套接字，我们称之为未完成连接队列，一个存储的是进入ESTANBLISHED状态的套接字，我们称之为已完成连接队列

当服务器收到一个连接请求的时候，就会将该连接加入未完成连接队列，等待如果得到ACK之后，会将该项转移到已完成连接队列

那么，backlog代表的是什么呢？

backlog是已完成连接队列的最大长度，当然有那么一段时间表示的是两个队列总和长度，而且当前的实现都提供了一个“模糊因子“，这是因为需要为未完成连接队列提供额外的长度

当队列已满的时候，新的SYN报文会被丢弃（但是不会发送RST报文），这是因为逻辑上，允许客户端过一段时间重发看是否还有没有满

当三次握手连接完成之后，服务器调用accept之前的数据，会被存储在已连接套接字的接收区缓冲区

accept函数

函数定义

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

注意的是，我们这里有两个套接字概念，第一个是accept中的第一个参数，同时来自于socket->listen，称为监听套接字,第二个套接字来自于accept返回的套接字，称之为连接套接字（这是针对客户的）

cliaddr和addrlen是用于返回给调用者client信息的，如果不需要可以设置为NULL，注意addrlen是典型的值-结果参数

常用套路

struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t len;
connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
printf("connection from %s,port %d \n", inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, buff, sizeof(buff)),ntohs(cliaddr.sin_port));

fork函数

函数定义

pid_t	 fork(void);

fork会创建一个新的子进程，一个比较迷惑人的地方在于，fork有两个返回值，对于父进程来说，fork的返回值是创建的子进程的pid，而对于子进程来说，返回的是0，因此一般我们可以用返回值来区分执行逻辑

常用套路

pid_t pid;
if ((pid=fork())<0)
{
    //error
}else if (pid==0){
    //子进程逻辑
    print("Hello world");
    exit(0);//注意这句话只会停止执行子进程，因为只有子进程会进入这个条件分支，用exit的办法，那么父进程就不需要嵌套在else里面（来避免子进程执行）
}
//父进程逻辑

具体解释

• fork创建子进程的话一般可能有两种使用用途：

  1. 创建一个相关的副本，从而互不干扰的执行

  2. 一个进程想要执行另外一段程序，用fork执行之后，在调用exec来把自身替换为某个程序，常用于shell中

     exec有6个相关函数，主要区别是比方说提供的文件名还是路径名，传入命令行参数是怎么做的之类，只有execve是系统调用
     

• fork之前打开的所有描述符都会被子进程共享，所以一般来说我们可以fork一个子进程，然后子进程继续处理已连接套接字，而父进程关闭了该已连接套接字

实战多进程服务器

关键代码

for (;;)
    {
        // 返回的是已连接描述符，用于与连接的客户通信
        connfd = Accept(listenfd, (SA *)&cliaddr, &len);
        if (fork() == 0) //if 里面只有子进程会运行
        {
            Close(connfd);//因为监听套接字在子进程是不必要的
            printf("connection from %s,port %d \n", inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, buff, sizeof(buff)),
                   ntohs(cliaddr.sin_port));
            ticks = time(NULL);
            snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));
            Write(connfd, buff, strlen(buff));
            Close(connfd);
            exit(0);
        }
        Close(connfd);//因为父进程不操心连接套接字
    }

具体解释

==0的做法在之前已经提到，这样我们可以区分”子进程运行逻辑“和”父进程运行逻辑“

不过可能很多人会好奇，我们之前提到过，如果我们对一个套接字调用close会导致系统发送FIN报文，然后进入正常关闭逻辑，但是我们却在父进程显示close了连接套接字，这难道不会导致套接字关闭吗？

为了明白这点，我们需要理解，每个文件（I/O)和套接字，都会维护一个引用计数，他是当前打开着的引用该文件或者套接字的描述符的个数

一般来说，exit会关闭所有打开的文件描述符，不过可能会有人倾向于显式关闭

close函数

函数定义

int	 close(int fd);

详细解释

当只有fd引用文件或者套接字的时候，close指定会标记该套接字为关闭并立即返回（不阻塞），描述符将不再能够用于read/write函数的第一个参数，对于tcp来说，会试图继续发送所有已经排队准备发送的数据，然后发生正常的关闭序列（就是fin报文什么的）

由于close不一定能够关闭描述符（子进程持有），所以也可以调用shutdown来替换close

close函数在服务器中尤其重要，因为首先，如果父进程不关闭，那么很可能会出现描述符耗尽的可能性，其次是如果父进程不关闭，那么连接套接字将永远不被关闭

getsockname与getpeername函数

函数定义

int     getsockname(int sockfd, struct sockaddr * localaddr, socklen_t * addrlen);
int     getpeername(int sockfd, struct sockaddr *peeraddr, socklen_t * addrlen);

期中getsockname返回的是本机在该套接字上的地址信息，而getpeername返回的是对端在该套接字上的地址信息

详细解释

其实调用起来很简单，不过我们需要注意的是，如果是服务端，那么应该传入的sockfd应该是连接套接字而不是监听套接字