网络编程基础api

1. IP 协议

1.1 IP 分片

（1）IP 分片和重组主要依靠 IP 头部三个字段：数据报标识、标志和片偏移

以太网帧的 MTU 是 1500 字节；

一个每个分片都有自己的 IP 头部，它们都具有相同的标识值，有不同的片偏移（数据部分的长度必须是 8 的整数倍），除了最后一个分片外，其他分片都设置 MF 标志；
每个分片的总长度字段被设置为该分片的长度；

1.2 路由机制

执行 route 可以查看路由表

第一项的目标地址是 default，即默认路由项，包含一个“G”标志，说明路由下一跳目标是网关；

1. 查找路由表中和数据报目标的 IP 地址完全匹配的 IP 地址；
2. 查找路由表中和数据报目标的 IP 地址具有相同网络号的 IP 地址（网络号为 IP 地址&&子网掩码，匹配长度越长越优先）；
3. 选择默认路由项；

ICMP 重定向报文会改变路由表缓冲，生成更合理的路由方式；

2. TCP 协议

TCP 是一对一的，UDP 适合多播和广播；

UDP 中应用程序每次执行一个写操作，就会发送一个 UDP 数据报；接收方必须及时针对每一个 UDP 数据报执行读操作，否则会丢包，如果没有足够的应用程序缓冲区，UDP 数据可能被截断；

2.1 TCP 状态转移

（1）服务器通过 listen 系统调用进入 LISTEN 状态，监听到某个连接请求时（收到 SYN），将该连接放入内核等待队列，发送 SYN + ACK，收到 ACK 后，进入 ESTABLISHED 状态；

（2）客户端通过 connect 系统调用，该函数首先发送 SYN，使状态转移到 SYN_SENT 状态；

connect 调用失败的两个场景：（立即返回初始的 CLOSED 状态）

1. 目标端口不存在，或其处于 TIME_WAIT 状态，服务器返回 RST 段
2. 目标端口存在，但 connect 在超时时间内未收到服务器的确认报文段

connect 调用成功，转移至 ESTABLISHED 状态；

（3）客户端在 FIN_WAIT_2 状态时，未等服务器关闭连接强行退出；

此时客户端连接由内核接管，称为孤儿连接；tcp_max_orphans 和 tcp_fin_timeout 定义了内核能接管的孤儿连接数目及其在内存中生成的时间；

（4）TIME_WAIT 状态存在的原因：

可靠的终止 TCP 连接
保证让迟来的 TCP 报文段被丢弃

（5）异常终止连接；

应用可以通过 socket 选项 SO_LINGER 来发送 RST 报文段；

2.2 TCP 数据流

（1）交互数据：仅包含很少字节，对实时性要求高，如 telnet，ssh 等；

客户端每个键入就会发送一个 TCP 数据报；客户端会立即确认，服务器可能使用延迟确认；

（2）成块数据：长度通常为最大数据长度，对传输效率要求高，如 ftp；

2.3 带外数据

紧急指针指向带外数据最后一个字节的下一个位置，因此仅能识别带外数据的最后一个字节；

2.4 拥塞控制

控制发送窗口（SWND），即发送端能连续发送的 TCP 报文段的数量

3. HTTP 协议

HTTP 请求中的头部字段可按任意顺序排序，目标主机名是必须包含的头部字段；

3.1 请求

（1）请求行；格式为：请求方法 ------ 目标资源 URL ------ 版本号（------ 代表空格或 \t（可能为多个））；
（2）多个头部字段行；一个头部字段是一行，请求行和每个头部字段行必须以< CR >< LF >结尾（回车符及换行符）
（3）空行；所有头部字段之后，需要包含一个空行（回车符及换行符），标识头部字段的结束
（4）可选消息体；若消息体为空，头部字段必须包含该消息体长度的字段”Content-Length“

3.2 应答

（1）状态行；
（2）头部字段行；

HTTP 是一种无状态的协议，使用额外的手段来保持 HTTP 连接状态；
Cookie 是服务器发送给客户端的特殊信息，客户端每次向服务器发送请求时带上这个信息，就可以帮助服务器区分不同客户；

（3）空行；
（4）请求数据；

4. 整体流程

本地名称查询：/etc/hosts 存储了目标主机名及其对应 IP 地址

（1）如果在 /etc/hosts 未找到目标机器名对应的 IP 地址，会使用 DNS 服务；这个顺序可由 /etc/host.conf 配置

（2）DNS 服务：首先读取 /etc/resolv.conf，获取 DNS 服务器的 IP 地址，发送 UDP 报文段；

到达 IP 层时，会查询路由表，获得下一跳的 IP 地址，再调用网络驱动程序，根据这个地址获得其 MAC 地址（如果没有，会使用 ARP 协议）

5. socket

5.1 socket 地址族

5.1.1 字节序

（1）大端序：高位在内存低地址处（网络字节序，JAVA 虚拟机采用大端序）
------- 小端序：高位在内存高地址处（主机字节序）

（2）字节序的转换函数，long 函数通常转换 IP 地址，short 通常转换端口号；

转换函数源码：通过移位实现；

5.1.2 通用 socket 地址

（1）socket 结构体

sa_family 表示地址族类型；
sa_data 存放 socket 地址值，不同协议族有不同含义和长度，14 字节的 sa_data 无法完全容纳多数协议族的地址值；

协议族	地址族	描述	地址含义及长度
PF_UNIX	AF_UNIX	UNIX 本地域协议族	文件路径名，长度可达108字节
PF_INET	AF_INET	TCP/IPv4协议族	16 位端口号和32位 P地址，共6字节
PF_INET6	AF_INET6	TCP/IPv6 协议族	16 位端口号，32位流标识，128位IP地址，32位范围ID，共26字节

（2）Linux 定义了新的通用 socket 地址结构体

_ss_align 用于内存对齐作用；

5.1.3 专用 socket 地址

通用地址涉及位操作；

#include 
struct sockaddr_un
{
	sa_family_t sin_family;  /*AF_UNIX*/
	char sun_path[108];		 /*文件路径名*/
};
----------------------------------------------------------------
struct sockaddr_in
{
	sa_family_t sin_family;  /*AF_INET*/
	u_int16_t sin_port		 /*端口号, 要用网络字节序表示*/
	struct in_addr sin_addr; /*IPv4 地址结构体*/
};
struct in_addr
{
	u_int32_t s_addr;		/*IPv4地址，要用网络字节序表示*/
};
----------------------------------------------------------------
struct sockaddr_in6
{
	sa_family_t sin6_family;  /*AF_INET6*/
	u_int16_t sin6_port;		 /*端口号，要用网络字节序表示*/
	u_int32_t sin6_flowinfo;	 /*流信息，应设置为 0*/
	struct in6_addr sin6_addr; /*IPv6 地址结构体*/
	u_int32_t sin6_scope_id;	/*暂未使用*/
};
struct in6_addr
{
	unsigned char sa_addr[16];		/*IPv6地址，要用网络字节序表示*/
};

所有专用 socket 地址（以及 sockaddr_storage）类型在实际使用时都需要转化为通用 socket 类型 sockaddr（强制转换即可）

如何进行的转换？

5.1.4 IP 地址转换

注意：点分十进制字符串是主机字节序，整数为网络序；

#include 
/*
点分十进制转换为整数
失败返回 INADDR_NONE
*/
in_addr_t inet_addr( const char* strptr );  
/*
点分十进制转换为整数，将结果存储与 inp 指向结构中，
成功返回 1，失败返回 0
*/
int inet_aton( const char* cp, struct in_addr* inp );
/*整数转换为点分十进制*/
char* inet_ntoa( struct in_addr in );
----------------------------------------------------
/*
点分十进制字符串转换为整数
成功返回1
失败返回0，设置errno 
*/
int inet_pton( int af, const char* src. void* dst );
/*
整数转换为点分十进制字符串
成功返回目标存储单元地址
失败返回 NULL 并设置 errno
*/
const char* inet_ntop( int af, const void* src. char* dst, socklen_t cnt );

这里注意：inet_ntoa函数内部使用静态变量存储转换结果，函数返回值指向该静态内存，是不可重入的（会互相干扰）

转换结果存储在 dst 指向内存中；af 指定地址族，可以是 AF_INET 或 AF_INET6；参数 cnt 指定目标存储单元大小，取值参考下面；

#include 
#define INET_ADDRSTRLEN 16  	/*用于 IPv4 */
#define INET6_ADDRSTRLEN 46		/*用于 IPv6 */

5.2 操作 socket

5.2.1 创建

指定地址族；socket 是一个文件描述符；

#include 
#include 
/*
成功返回 socket 文件描述符
失败返回 -1 并设置 errno
*/
int socket( int domain, int type, int protocol );

（1）domain 指明协议族，PF_**；
（2）type 指定服务类型，SOCK_STREAM（流服务）和 SOCK_UGRAM（数据报）对 TCP/IP 而言，前者表示使用 TCP，后者为 UDP；

服务类型可以和标志进行与运算：SOCK_NONBLOCK（新创建的 socket 设为非阻塞） 和 SOCK_CLOEXEC （fork 创建子进程时在子进程关闭该 socket）；

（3）protocol；应该设置为 0；

5.2.2 命名

socket 命名：将一个 socket 与 socket 地址绑定；命名后客户端才知道如何连接它；客户端通常不需要命名 socket，采用匿名方式（操作系统自动分配）；

#include 
#include 
/*
成功返回 0
失败返回 -1 并设置 errno
EACCES 表示被绑定的地址是受包含的地址，仅超级用户能够访问，例如普通用户绑定知名端口
EADDRINUSE 被绑定的地址正在使用中，比如绑定到一个处于 TIME_WAIT 的 socket 地址
*/
int bind( int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen );

addrlen 指出 socket 地址的长度；

5.2.3 监听 socket

创建监听队列以存放待处理的客户连接；

#include 
/*
成功返回 0
失败返回 -1 并设置 errno
*/
int listen( int sockfd, int backlog );

backlog 参数提示内核监听队列的最大长度，表示处于完全连接状态（ESTABLISHED）的 socket 上限，典型值为 5；超过该值，服务器不再受理新的连接，客户端收到 ECONNREFUSED 错误；

处于半连接状态的 socket 上限由 /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 内核参数定义

5.2.4 接收连接

简单的从 listen 监听队列中接收一个连接，不关心连接处于哪种状态，例如建立连接后，断开客户端网络或直接退出客户端（处于 CLOSE_WAIT状态），都能调用成功；

#include 
#include 
/*
成功返回一个新的连接 socket，唯一标识了被接收的连接
失败返回 -1 并设置 errno
*/
int accept( int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen );

sockfd 是 listen 系统调用监听 socket；
addr 获取远端 socket 地址，该地址长度由 addrlen 指出；

accept调用成功返回的连接 socket 至少完成了三次握手的前两个；

5.2.5 发起连接

/*
成功返回 0
失败返回 -1 并设置 errno
*/
int connect( int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t *addrlen );

serv_addr 为服务器监听，socket，addrlen 为这个地址长度；

常见 errno：
ECONNREFUSED，目标端口不存在，连接被拒绝
ETIMEDOUT，连接超时

connect成功返回后，TCP 三次握手已完成

（1）非阻塞connect

在非阻塞 socket 上调用 connect 时，其将立即返回一个 EINPROGRESS 错误，不过会发起 TCP 的三次握手过程；

1. 连接成功建立时，fd 变为可写；
2. 当连接建立遇到错误时，fd 即可读又可写；（需要 getsockopt ，使用 SO_ERROR 区分这两种情况，如果成功建立，该值为 0，否则为对应 errno 值）

必须考虑连接立即建立的情况（客户端、服务器在同一主机上的可能发生这种情况）

5.2.6 关闭连接

关闭连接只是将其引用计数减1，等其为0时，才真正关闭；

#include 
int close( int fd );

立即终止连接（不是将引用计数减1）

#include 
/*
成功返回 0
失败返回 -1 并设置 errno
*/
int shutdown( int sockfd, int howto );

howto 取值为：

1. SHUT_RD，关闭读，不能对其执行读操作，接收缓冲区的数据都被丢弃
2. SHUT_WR，关闭写，之前发送缓冲区数据会在真正关闭前发送出去，处于半连接状态；
3. SHUT_RDWR，都关闭

5.3 数据读写

对文件的读写操作 read 和 write 可以使用，但有专门的系统调用，增加了对数据读写的控制；

5.3.1 TCP 数据读写

/*
失败返回 -1 并设置 errno
*/
ssize_t recv( int sockfd, void *buf, size_t len, int flags );
ssize_t send( int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags );

buf 和 len 分别为缓冲区的位置和大小，recv 成功返回实际读到的数据，返回 0 意味对方关闭连接；
send 成功返回实际写入的数据的长度

flags 参数只对 send和 recv的当前调用生效，一般设为 0；

5.3.2 UDP 数据读写

/*
失败返回 -1 并设置 errno
*/
ssize_t recvfrom( int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, 
				  struct sockaddr* src_addr, socklen_t* addrlen );
ssize_t sendto( int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags 
				const struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen );

recvfrom和sendto 也可用于面向连接的 socket 数据读写，只需最后两个参数设为 NULL；

5.3.3 通用数据读写

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

struct msghdr
{
	void* msg_name;				/* socket地址 */
	socklen_t msg_namelen;		/* socket地址长度 */
	struct iovec* msg_iov;		/* 分散的内存块，数组首地址 */
	int msg_iovlen;				/* 分散的内存块数量 */
	void* msg_control;			/* 指向辅助数据的起始位置 */
	socklen_t msg_controllen;	/* 辅助数据的大小 */
	int msg_flags;			/* 复制函数中的 flags 参数，并在调用过程中更新 */
};
struct iovec
{
	void* iov_base;		/* 内存起始地址 */
	size_t iov_len;		/* 这块内存长度 */
};

（1）对 TCP 协议，msg_name 必须设为 NULL；
（2）iovec 封装了一块内存，msg_iovlen 指定了这样的对象有几个；

对 recvmsg 而言，数据被读取并存放在 msg_iovlen 块分散内存中，这些内存由 msg_iov 指向的数组指定，称为分散读；
对 sendmsg 而言，msg_iovlen 块分散内存中的数据将被一并发送，称为集中写；

（3）msg_flags 无需设定，会复制 recvmsg/sendmsg的 flags 参数；

5.4 带外标记

判断下一个被读取到的数据是否是带外数据，若是，返回 1 ，之后可以利用 MSG_OOB 标志的 recv 调用来接收，否则，返回 0；

#include 
int sockatmark( int sockfd );

5.5 地址信息函数

#include 
/* 
获取 sockfd 对应本端 socket 地址
成功返回 0
失败返回 -1 并设置 errno
*/
int getsockname( int sockfd, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len );
/* 获取 sockfd 对应远端 socket 地址*/
int getpeername( int sockfd, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len );

如果实际 socket 地址长度大于 address 指向内存，那么该 socket 地址会被截断；

5.6 socket 选项

#include 
/* 
成功返回 0
失败返回 -1 并设置 errno
*/
int getsockopt( int sockfd, int level, int option_name, void* option_value, 
				socklen_t* restrict option_len );
/* 获取 sockfd 对应远端 socket 地址*/
int setsockopt( int sockfd, int level, int option_name, const void* option_value, 
				socklen_t* restrict option_len );

level	option name	数据类型	是否需要特定的设定时机	说明
SOL_SOCKET（通用选项）	SO_REUSEADDR	int	是	重用本地地址
SOL_SOCKET	SO_RCVBUF	int	是	TCP 接收缓冲区大小
SOL_SOCKET	SO_SNDBUF	int	是	TCP 发送缓冲区大小
SOL_SOCKET	SO_RCVLOWAT	int	是	TCP 接收缓冲区低水位标记
SOL_SOCKET	SO_SNDLOWAT	int	是	TCP 发送缓冲区低水位标记
SOL_SOCKET	SO_LINGER	linger	是	若有数据待发送，则延迟关闭
SOL_SOCKET	SO_ERROR	int	否	获取并清楚 socket 错误状态

对服务器而言，有些 socket 选项只能在 listen 之前设定，对监听 socket 设定的选项，对返回的连接 socket 将自动继承这些选项；
对客户端而言，这些选项应该在调用 connect 之前设定

（1）设置 TCP 接收/发送缓冲区大小时，系统会将其值加倍，并不得小于某个最小值；

TCP 接收缓冲区的最小值为 256 字节，发送缓冲区的最小值为 2048 字节

（2）SO_RCVLOWAT 和 SO_SNDLOWAT 一般被 IO 复用调用用来判断 socket 是否可读或可写；

（3）SO_LINGER 控制 close 关闭 TCP 的行为；

默认调用 close 会立即返回，TCP 模块负责把该 socket 对应 TCP 发送缓冲区中残留的数据发送给对方；

struct linger
{
	int l_onoff;	/* 开启(非0)还是关闭(0) */
	int l_linger;	/* 滞留时间 */		
};

l_onoff 为 0；该选项无效，close 采用默认行为；
l_onoff 不为 0，l_linger 为 0；close 立即返回，丢弃发送缓冲区数据，同时给对方发送一个 RST 报文段（异常终止一个连接）；
l_onoff 不为 0，l_linger 大于 0；对于阻塞的 socket，close 等待 l_linger 时间，知道发送完所有残留数据并得到对方确认，否则，将返回 -1 并设置 errno 为 EWOULDBLOCK；如果 socket 是非阻塞的，close立即返回，此时需要根据其返回值和 errno 来判断残留数据是否发送完毕；

5.7 网络信息

网络信息 API 作用：实现主机名代替 IP，服务名代替端口号

5.7.1 根据主机名/IP 获取主机完整信息

如果在 /etc/hosts 未找到目标机器名对应的 IP 地址，会使用 DNS 服务；

#include 
struct hostent* gethostbyname( const char* name );
struct hostent* gethostbyaddr( const void* addr, size_t len, int type );
struct hostent
{
	char* h_name;			/*主机名*/
	char** h_aliases;		/*主机别名列表*/
	int h_addrtype;			/*地址族*/
	int h_length;			/*地址长度*/
	char** h_addr_list;		/*主机 IP 地址列表（网络字节序给出）*/
};

addr 是目标主机的 IP 地址，len 是 addr 所指 IP 地址长度；
type 是 addr 所指 IP 地址类型，取值为 AF_INFT / AF_INFT6；

5.7.2 根据名称/端口号获取服务的完整信息

实际上读取 /etc/services 文件获取服务信息；

#include 
struct servent* getservbyname( const char* name, const char* proto );
struct servent* getservbyport( int port, const char* proto );
struct servent
{
	char* s_name;			/*服务名*/
	char** s_aliases;		/*服务别名列表*/
	int s_port;				/*端口号族*/
	char* s_proto;			/*服务类型，见下*/
};

proto 指定服务类型，取值为 ”tcp“、 ”udp“、NULL（所有类型的服务）

注意：上述四个函数是不可重入的（线程不安全），可重入版本函数名结尾加 _r

5.7.3 getaddrinfo

通过主机名/服务名获得 IP/端口号，内部调用 gethostbyname 或 getservbyname

#include 
int getaddrinfo( const char* hostname, const char* service, const struct addrinfo* hints,
				 struct addrinfo** result );
struct addrinfo
{
	int ai_flags;				/*见下*/
	int ai_family;				/*地址族*/
	int ai_socktype;			/*服务类型，SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM */
	int ai_protocol;			/*具体网络协议，通常设置为 0 */	
	socklen_t ai_addrlen;		/*socket 地址 ai_addr 的长度*/
	char* ai_canonname;			/*主机的别名*/
	struct sockaddr* ai_addr;	/*指向 socket 地址*/
	struct addrinfo* ai_next;	/*指向下一个addrinfo对象*/
};

result 指向一个链表，存储 getaddrinfo返回结果

hints 具有提示作用，当使用时，设置其前四个字段，其余必须被设置为 NULL；

getaddrinfo将给 result 隐式分配堆内存，必须通过下述函数进行释放

void freeaddrinfo( struct addrinfo* res );

5.7.4 getnameinfo

通过socket 地址同时获得 主机名和服务名，内部调用 gethostbyaddr 和 getservbyport

/*
成功返回 0
失败返回错误码
*/
void getnameinfo( const struct sockaddr* sockaddr, socklen_t addrlen, char* host
				  socklen_t hostlen, char* serv, socklen_t servlen, int flags );

将错误码转化为字符串形式；

const char* gai_strerror( int error );

6. 参考

《Linux高性能服务器》