linux socket

Socket

Posted by Max on December 8, 2014

概述

命名空间的元素都可称为套接字接口。一个套接字接口构成一个连接的一端，而一个连接可完全 由一对套接字接口规定。–RFC 33

Socket起源于“一切都是文件”的Unix，是“open—write/read—close”模式的一种实现，Linux系统 通过提供socket接口来进行网络编程。Socket可以称之为一种特殊的文件描述符。

进程标识

要讨论网络编程，则避不开进程通信，首要解决的问题就是是如何唯一标识一个进程。

在本地，我们很容易通过PID唯一标识一个进程，但在网络中就行不通了。事实上，TCP/IP协议族 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。

编程时所谓的创建一个socket，本质就是在协议栈中注册一个“协议+端口”，以用于通信。

API

既然是特殊的文件，必然支持“open—write/read—close”操作。Socket常用操作如下：

1. socket()函数

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

Socket函数类似于普通文件的打开操作fopen(),创建一个socket描述符（socket descriptor）， 唯一标识一个socket。这个socket描述符与文件描述符一样，后续的连接建立、数据传输等操作都是 通过将其作为参数实现。

正如可以通过给fopen传入不同参数值，以打开不同的文件的作法相同。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：

  • domain

    即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、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。

  • protocol

    顾名思义，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。

注意：上面的type和protocol并不是可以随意组合的。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，否则当调用 connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

2. bind()函数

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

如上所述，bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。如对应AF_INET/AF_INET6就是 把一个ipv4/ipv6地址和端口号组合赋给socket。

  • sockfd

    即socket描述字，它是通过socket()函数创建的唯一标识一个socket的符号。bind()函数就是 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。

3. listen()、connect()函数

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

如果是一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket；如果是 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。

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述符，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描述符，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. accept()函数

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

TCP服务器监听到客户端的connect()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，可以开始网络I/O操作，类同于普通文件的读写I/O操作。

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述符，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针， 用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由 内核自动生成的一个全新的描述符，代表与返回客户的TCP连接。

注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述符，是服务器调用socket()函数生成的，称为 监听socket描述符（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）；accept函数返回的可称为已连接的socket描述符（内核为每个由服务器进 程接受的客户连接创建一个已连接socket描述符，当服务器完成了对某个客户的服务后，相应的 已连接socket描述符就被关闭）。

5. read()、write()等函数

万事俱备，现在即可调用网络I/O进行读写操作，实现网络中不同进程之间的通信了！网络I/O操作有下面几组：

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

其中，recvmsg()/sendmsg()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则表示出现了错误。如果错误为EINTR说明是由中断引起的，如果是 ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的count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入时有两种可能：

  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)。

6. close()函数

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

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描述符， 好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

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。该描述符 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。

底层行为

网卡上收到一个报文后，通过中断告之CPU；根据网卡驱动事先注册的对应该中断的处理函数，CPU调用相应 网卡驱动处理到来的报文；网卡驱动设置DMA参数，从网卡读取报文然后通过中断告知CPU；若一切顺利，则 接着由CPU通知网卡驱动报文接收成功；最后由网卡驱动通过内核提供的网络接口函数，将报文传递到内核中 的网络协议栈。报文经过协议栈的处理，或转发、或丢弃、或被传送给某个进程。

报文的发送过程与之相反，进程通过系统调用将数据送入网络协议栈，或者由网络协议栈自己发起报文的发送， 然后协议栈通过调用网络接口函数来调度驱动程序，使其将报文传送给网卡，从而发送出去。

Socket中TCP的三次握手建立连接

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，交换三个分组，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？

socket中发送的TCP三次握手

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。

综上所述，客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

Socket中TCP的四次挥手释放连接详解

承上所述，现在我们介绍TCP四次挥手释放连接在socket中的过程：

socket中发送的TCP四次挥手

从图中可以看出，某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M； 另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认，发送ACK M+1， 同时它的接收也作为文件结束符传递给应用进程（标志着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据）； 这之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket，此时，它的TCP发送一个FIN N； 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认，发送ACK N+1。 综上所述，每个方向上都有一个FIN和ACK。

示例

int main(int argc, char * argv[])
{
    int nRC = 0;
    int nSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(-1 == nSocket)
    {
        nRC = -1;
        goto fin;
    }

    unIP = inet_addr("0.0.0.0");
    nPort = 12345;

    struct sockaddr_in stAddr;
    memset(&stAddr, 0, sizeof(stAddr));
    stAddr.sin_family = AF_INET;
    stAddr.sin_addr.s_addr = unIP;
    stAddr.sin_port = htons(nPort);
    nRC = bind(nSocket, (struct sockaddr *)&stAddr, sizeof(stAddr));
    if(0 != nRC)
    {
        goto fin;
    }

    char * pBuffer = new unsigned char [128];
    recv(nSocket, pBuffer, 128, 0);

fin:
    if(-1 != m_nSocket)
        close(m_nSocket);
    return nRC;
}

参考

  1. Linux Socket编程（不限Linux）–吴秦（Tyler）
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design patterns protocol linux algorithms