Linux Socket编程详解

心已赠人 2022-06-06 08:23 228阅读 0赞

## 1.网络中进程之间如何通信 ##

进程通信的概念最初来源于单机系统。由于每个进程都在自己的地址范围内运行，为保证两个相互通信的进程之间既互不干扰又协调一致工作，操作系统为进程通信提供了相应设施，如

UNIX BSD有：

*  管道（pipe）
 *  命名管道（named pipe）
 *  软中断信号（signal）

UNIX system V有：

*  消息（message）
 *  共享存储区（shared memory）
 *  信号量（semaphore)

他们都仅限于用在**本机进程**之间通信。网间进程通信要解决的是不同主机进程间的相互通信问题（可把同机进程通信看作是其中的特例）。为此，首先要解决的是**网间进程标识**问题。

同一主机上，不同进程可用进程号（process ID）唯一标识。但在网络环境下，各主机独立分配的进程号不能唯一标识该进程。例如，主机A赋于某进程号5，在B机中也可以存在5号进程，因此，“5号进程”这句话就没有意义了。 其次，操作系统支持的网络协议众多，不同协议的工作方式不同，地址格式也不同。因此，网间进程通信还要解决多重协议的识别问题。

其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（**ip地址，协议，端口**）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。

## 2.什么是TCP/IP、UDP ##

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。

TCP/IP协议存在于OS中，网络服务通过OS提供，在OS中增加支持TCP/IP的系统调用——Berkeley套接字，如Socket，Connect，Send，Recv等

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。如图：

![这里写图片描述][1334044049_2497.jpg]

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层，而socket所在位置如图，Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层。

![这里写图片描述][1334044170_5136.jpg]

## 3.Socket是什么 ##

**1、 socket套接字**

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现， socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）.

说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。

**2、套接字描述符**

其实就是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的，对应的FILE \*结构的表示就是stdin、stdout、stderr

套接字API最初是作为UNIX操作系统的一部分而开发的，所以套接字API与系统的其他I/O设备集成在一起。特别是，当应用程序要为因特网通信而创建一个套接字（socket）时，操作系统就返回一个小整数作为描述符（descriptor）来标识这个套接字。然后，应用程序以该描述符作为传递参数，通过调用函数来完成某种操作（例如通过网络传送数据或接收输入的数据）。

在许多操作系统中，套接字描述符和其他I/O描述符是集成在一起的，所以应用程序可以对文件进行套接字I/O或I/O读/写操作。

当应用程序要创建一个套接字时，操作系统就返回一个小整数作为描述符，应用程序则使用这个描述符来引用该套接字需要I/O请求的应用程序请求操作系统打开一个文件。操作系统就创建一个文件描述符提供给应用程序访问文件。从应用程序的角度看，文件描述符是一个整数，应用程序可以用它来读写文件。下图显示，操作系统如何把文件描述符实现为一个指针数组，这些指针指向内部数据结构。

![这里写图片描述][Center]

对于每个程序系统都有一张单独的表。精确地讲，系统为每个运行的进程维护一张单独的文件描述符表。当进程打开一个文件时，系统把一个指向此文件内部数据结构的指针写入文件描述符表，并把该表的索引值返回给调用者 。应用程序只需记住这个描述符，并在以后操作该文件时使用它。操作系统把该描述符作为索引访问进程描述符表，通过指针找到保存该文件所有的信息的数据结构。

\#\#\#针对套接字的系统数据结构：

1）、套接字API里有个函数socket，它就是用来创建一个套接字。套接字设计的总体思路是，单个系统调用就可以创建任何套接字，因为套接字是相当笼统的。一旦套接字创建后，应用程序还需要调用其他函数来指定具体细节。例如调用socket将创建一个新的描述符条目：

![这里写图片描述][Center 1]

2）、虽然套接字的内部数据结构包含很多字段，但是系统创建套接字后，大多数字字段没有填写。应用程序创建套接字后在该套接字可以使用之前，必须调用其他的过程来填充这些字段。

3、文件描述符和文件指针的区别：

**文件描述符**：在linux系统中打开文件就会获得文件描述符，它是个很小的正整数。每个进程在PCB（Process Control Block）中保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，每个表项都有一个指向已打开文件的指针。

**文件指针**：C语言中使用文件指针做为I/O的句柄。文件指针指向进程用户区中的一个被称为FILE结构的数据结构。FILE结构包括一个缓冲区和一个文件描述符。而文件描述符是文件描述符表的一个索引，因此从某种意义上说文件指针就是句柄的句柄（在Windows系统上，文件描述符被称作文件句柄）。

详细内容请看linux文件系统：[http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/6122513\#t7][http_blog.csdn.net_hguisu_article_details_6122513_t7]

## 4.基本的SOCKET接口参数 ##

在生活中，A要电话给B，A拨号，B听到电话铃声后提起电话，这时A和B就建立起了连接，A和B就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 打电话很简单解释了这工作原理：“open—write/read—close”模式。

![这里写图片描述][1334045011_9586.jpg]

服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

这些接口的实现都是内核来完成。具体如何实现，可以看看linux的内核

### 4.1、socket()函数 ###

int  socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd

sockfd是描述符。

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

*  protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF\_INET(IPV4)、AF\_INET6(IPV6)、AF\_LOCAL（或称AF\_UNIX，Unix域socket）、AF\_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF\_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF\_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
 *  type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK\_STREAM、SOCK\_DGRAM、SOCK\_RAW、SOCK\_PACKET、SOCK\_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
 *  protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO\_TCP、IPPTOTO\_UDP、IPPROTO\_SCTP、IPPROTO\_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK\_STREAM不可以跟IPPROTO\_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF\_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

### 4.2、bind()函数 ###

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF\_INET、AF\_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr \*addr, socklen\_t addrlen);  
函数的三个参数分别为：

*  sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
 *  addr：一个const struct sockaddr \*指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是：

struct sockaddr_in {
        sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
        in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
        struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
    };
    
    /* Internet address. */
    struct in_addr {
        uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
    };

ipv6对应的是：

struct sockaddr_in6 { 
        sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
        in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
        uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
        struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
        uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
    };
    
    struct in6_addr { 
        unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
    };

Unix域对应的是

#define UNIX_PATH_MAX 108
    
    struct sockaddr_un { 
        sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
        char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
    };

*  addrlen：对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

### 4.3、listen()、connect()函数 ###

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

int listen(int sockfd, int backlog);
    int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

### 4.4、accept()函数 ###

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd

参数sockfd  
参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。  
参数addr  
这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。  
参数len  
如同大家所认为的，它也是结果的参数，用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。  
如果accept成功返回，则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。

注意：

accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是连接套接字。

此时我们需要区分两种套接字，

*  监听套接字: 监听套接字正如accept的参数sockfd，它是监听套接字，在调用listen函数之后，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字(监听套接字)
 *  连接套接字：一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字；而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字)，它代表着一个网络已经存在的点点连接。
    
    一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。
    
    自然要问的是：为什么要有两种套接字？原因很简单，如果使用一个描述字的话，那么它的功能太多，使得使用很不直观，同时在内核确实产生了一个这样的新的描述字。

连接套接字socketfd\_new 并没有占用新的端口与客户端通信，依然使用的是与监听套接字socketfd一样的端口号

### 4.5、read()、write()等函数 ###

万事具备只欠东风，至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：

*  read()/write()
 *  recv()/send()
 *  readv()/writev()
 *  recvmsg()/sendmsg()
 *  recvfrom()/sendto()

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：

#include <unistd.h>
    
           ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
           ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
    
           #include <sys/types.h>
           #include <sys/socket.h>
    
           ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
           ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
    
           ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                          const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
           ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                            struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
    
           ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
           ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。

### 4.6、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，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>
    int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意：close操作只是使相应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。

### 5. Socket中TCP的建立（三次握手） ###

TCP协议通过三个报文段完成连接的建立，这个过程称为三次握手(three-way handshake)，过程如下图所示。  
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN\_SEND状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。  
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN\_RECV状态；  
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。  
一个完整的三次握手也就是： 请求—应答—再次确认。  
对应的函数接口：

![这里写图片描述][1334045728_5744.png]

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

我们可以通过网络抓包的查看具体的流程：  
比如我们服务器开启9502的端口。使用tcpdump来抓包：

tcpdump -iany tcp port 9502

然后我们使用telnet 127.0.0.1 9502开连接：

telnet 127.0.0.1 9502

14:12:45.104687 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [S], seq 2927179378, win 32792, options [mss 16396,sackOK,TS val 255474104 ecr 0,nop,wscale 3], length 0（1）
    14:12:45.104701 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [S.], seq 1721825043, ack 2927179379, win 32768, options [mss 16396,sackOK,TS val 255474104 ecr 255474104,nop,wscale 3], length 0  （2）
    14:12:45.104711 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 1, win 4099, options [nop,nop,TS val 255474104 ecr 255474104], length 0  （3）
    
    14:13:01.415407 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [P.], seq 1:8, ack 1, win 4099, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255474104], length 7
    14:13:01.415432 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [.], ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0
    14:13:01.415747 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [P.], seq 1:19, ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 18
    14:13:01.415757 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 19, win 4097, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0

[1334044049_2497.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201204/10/1334044049_2497.jpg
[1334044170_5136.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201204/10/1334044170_5136.jpg
[Center]: /images/20220606/41f203d8dc9d45a1a277864826415930.png
[Center 1]: /images/20220606/e59705c3fb2c4856a0bae8270fca6cbd.png
[http_blog.csdn.net_hguisu_article_details_6122513_t7]: http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/6122513#t7
[1334045011_9586.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201204/10/1334045011_9586.jpg
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