4章 TCP套接字编程

墨蓝 2022-06-06 02:49 159阅读 0赞

# 概述 #

没有什么说的，就是一个小小系统调用，重点在于理解TCP协议栈。

# 套接字函数 #

/* socket函数：指定进程期望的通信协议类型（包括协议族和套接字类型）。 __domain:协议族。 __type:指定套接字类型。 __protocol:某个协议类型，或为0选择前两个参数组合默认值。 返回套接字描述符sockfd。 */
    int socket (int __domain, int __type, int __protocol);

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/* connect函数：TCP客户与TCP服务器建立连接的函数。 TCP客户通过此函数建立与TCP服务器的连接，三次握手操作。 套接字含有客户机IP和端口号； 客户机不必一定bind绑定本地IP地址和端口， 和LwIP一样，内核会选择默认本地网卡IP以及临时端口。 __fd:socket函数返回的套接字描述符，描叙进程使用何种协议族。 __addr:地址结构指针，指定进程绑定服务器的地址和端口号。 __len:地址结构指针长度。 TCP套接字，connect发出三次握手，只有成功和出错才返回。 错误返回： 1、SYN发送出去没有ACK信号，重复发送三次，还是无，则ETIMEDOUT。 2、收到RST，表明服务器主机在指定端口没有进程运行，ECONNREFUSED。 3、由于路由器收到ICMP错误，指示目的网络不可达到。 */
    int connect (int __fd, __CONST_SOCKADDR_ARG __addr, socklen_t __len);
    
    
    /* bind函数：将本地协议地址（地址和端口号）赋给套接字。 把绑定本地结构地址，对于TCP可以指定一个或者都指定或者全部都不指定。 对于端口： 客户机可以不绑定端口，让内核临时选择端口。 服务器必须绑定端口，因为都是用的众所周知的端口。 对于IP： IP地址必须是主机网络接口之一。 对于客户机，就是为IP数据报源IP地址，可以不绑定，那么内核自动将外出网络接口来选择源IP。 对于服务器就限定该套接字仅接收源IP地址为这个IP地址的客户连接。 */
    int bind (int __fd, __CONST_SOCKADDR_ARG __addr, socklen_t __len);

![这里写图片描述][70]

/* listen函数:将套接字状态从close变成listen并且设定最大连接个数。 仅仅供TCP服务器使用。用队列处理多个连接请求。 n:表示内核应该为响应的套接字排队最大连接数目。内核为每个套接字维护两个队列： 1、未完成连接队列：每个这样的SYN分节对应其中一项,已由某个客户发出并到达服务器，而服务器正在等待完成相应的TCP三次握手过程，这些套接字处于SYN_RCVD状态。 2、已完成连接队列：完成之后便成为ESTABLISHED状态队列 */
    int listen (int __fd, int __n);

![这里写图片描述][SouthEast 3]

/*
    TCP服务器调用，用于从已完成连接队列队头返回下一个己完成连接，如果已完成连接队列为空，那么进程被投入睡眠（假设套接字设置为阻塞方式）。
    __fd：监听套接字。服务器仅仅创建一个监听套接字，在服务器生命期内一直存在。
    __addr:返回客户协议地址。
    __addr_len:传入结构长度，然后内核进行值-结果处理，传入为结构地址长度，返回为内核填入的信息。
    返回：调用成功（也就是三次握手成功）将返回一个由内核生成的一个全新的已连接的套接字描述符，用于操作这个连接成功，通过此已连接套接字完成服务后，就被关闭。
    如果对客户协议地址不感兴趣，后面两参数可以置空。
    */
    int accept (int __fd, __SOCKADDR_ARG __addr,
               socklen_t *__restrict __addr_len);

int
    main(int argc, char **argv)//服务器代码
    {
        int                 listenfd, connfd;
        socklen_t   len;//用于值-结果处理，所以必须要调用函数创建内存
        struct sockaddr_in  servaddr , cliaddr;
        char                buff[MAXLINE];
        time_t              ticks;
    
        listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//监听套接字创建
    
        bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
        servaddr.sin_family      = AF_INET;//服务器IP地址为网卡IP地址
        servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//通用IP地址，网卡IP
        servaddr.sin_port        = htons(4098); /* daytime server */
    
        bind(listenfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr));//绑定本机IP地址和端口，设置结构体成员而已
    
        listen(listenfd, LISTENQ);//绑定之后就可以开始监听外部连接了，指定了排队最大客户连接数
    
        for ( ; ; ) {
            len = sizeof(cliaddr);//值传入
            connfd = accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &len );//进入accept投入睡眠，等待客户机被内核接受，握手完毕accept返回，len结果返回。
            //返回连接描述符，通过connfd和客户通信。
            printf("connection from %s , port %d\n",inet_ntop(AF_INET , &cliaddr.sin_addr , buff , sizeof(buff)) , ntohs(cliaddr.sin_port));
            //地址转换，将数字转换成点分十进制字符串。
            ticks = time(NULL);
            snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));//这个库函数优点。
            Write(connfd, buff, strlen(buff));//发送给客户。
    
            Close(connfd);//4次断开操作
        }
    }
    
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #define SA struct sockaddr
    int main(int argc, char **argv)//客户机代码
    {
        int                 sockfd, n;
        char                recvline[MAXLINE + 1];
        struct sockaddr_in  servaddr;
    
        if (argc != 2)
            err_quit("usage: a.out <IPaddress>");
    
        if ( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)//创建一个网际字节流套接字，TCP套接字
            err_sys("socket error");
        //客户机没有bind地址，直接填写服务器端地址和端口信息即可。内核自动加入源IP地址。
        bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));//传递地址，将N字节清0
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        servaddr.sin_port   = htons(4098);  /* daytime server */
        if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0)//填入服务器IP地址和端口号13
            err_quit("inet_pton error for %s", argv[1]);
    
        if (connect(sockfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)//TCP握手操作，交换数据
            err_sys("connect error");
    
        while ( (n = read(sockfd, recvline, MAXLINE)) > 0) {
       //读取服务器应答消息
            recvline[n] = 0;    /* null terminate */
            if (fputs(recvline, stdout) == EOF)
                err_sys("fputs error");
        }
        if (n < 0)
            err_sys("read error");
        exit(0);
    }

![这里写图片描述][SouthEast 4]

/*
    close函数：关闭套接字并终止连接。默认行为是把该套接字标记成己关闭 ，然后立即返回到调用进程。该套接字描述符不能再由调用进程使用，也就是说它不能再作为read或write的第一个参数。然后TCP将尝试发送己排队等待发送到对端的任何数据，发送完毕后发生的是正常的TCP连接终止序列。实际上close仅仅将套接字描述符引用计数减1并标记套接字为关闭，并没有激发四次断开操作，只有套接字引用计数为0时候，才会引发TCP四次断开序列。（当然这些都是TCP协议栈做的，不需要用户进程管）。shutdown可以直接将套接字引用计数清0，直接引发断开操作。
    
    
    
    */
    int close(int sockfd);

# 并发服务器 #

int main(int argc, char **argv)//客户程序
    {
        int                 listenfd, connfd;//监听fd和连接fd
        struct sockaddr_in  servaddr , cliaddr;
        socklen_t clilen;
        pid_t childpid;
    
        /*×××××××××××××××××××服务器端套路开始××××××××××××××××××××*/
        listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//监听套接字创建
        bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));//清0
        servaddr.sin_family      = AF_INET;//服务器IP地址为网卡IP地址
        servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        servaddr.sin_port        = htons(4099);//服务器端必须设置对应端口号
        Bind(listenfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr));//绑定本机IP地址和端口，设置结构体成员而已
        Listen(listenfd, LISTENQ);//绑定之后，更改套接字为listen状态并指定了排队最大客户连接数
        /********************服务器端套路结束*********************/
        for ( ; ; ) {
            clilen = sizeof(cliaddr);
            connfd = Accept(listenfd , (SA *)&cliaddr , &clilen);//传入长度为了达到值-结果
            if((childpid = Fork()) == 0){
                Close(listenfd);//文件计数关闭一次
                server_echo(connfd);
                Close(connfd);
                exit(0);
            }//child，并行服务器就是不停fork处理
            Close(connfd);//等待下一个客户机连接。
        }
    }

从accep返回，listenfd 和connfd 都被复制了，所以引用计数全部变为2。在客户端，第一步就是关闭其复制的listenfd，将其引用计数减去1，因为只需要一个进程服务器；在服务器端则关闭connfd，将其引用计数减去1，因为只需要新进程处理客户请求。状态变化过程如下图：  
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[SouthEast]: /images/20220606/07f2ee43fd3641548754f01776ae4741.png
[SouthEast 1]: /images/20220606/1c5ea64add2641f385b189fba78d9062.png
[SouthEast 2]: /images/20220606/399178a21f2a46b9be01994359ccda34.png
[70]: /images/20220606/674ea366fdbd45e4954fce7f3fd1c2ff.png
[SouthEast 3]: /images/20220606/a9aad92e46d943b5b28da873581c9009.png
[SouthEast 4]: /images/20220606/478607d083984a9a82bb31883d4bfa62.png
[70 1]: /images/20220606/2029f936bc6441dd93967b1d0acad3d3.png