[转]LinuxTCP/UDP

1、网络中进程之间如何通信&＃xff1f;

本地的进程间通信&＃xff08;IPC&＃xff09;有很多种方式&＃xff0c;但可以总结为下面4类&＃xff1a;

• 消息传递&＃xff08;管道、FIFO、消息队列&＃xff09;

• 同步&＃xff08;互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量&＃xff09;

• 共享内存&＃xff08;匿名的和具名的&＃xff09;

• 远程过程调用&＃xff08;Solaris门和Sun RPC&＃xff09;

但这些都不是本文的主题&＃xff01;我们要讨论的是网络中进程之间如何通信&＃xff1f;首要解决的问题是如何唯一标识一个进程&＃xff0c;否则通信无从谈起&＃xff01;在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程&＃xff0c;但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题&＃xff0c;网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机&＃xff0c;而传输层的“协议&＃43;端口”可以唯一标识主机中的应用程序&＃xff08;进程&＃xff09;。这样利用三元组&＃xff08;ip地址&＃xff0c;协议&＃xff0c;端口&＃xff09;就可以标识网络的进程了&＃xff0c;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&＃xff1a;UNIX  BSD的套接字&＃xff08;socket&＃xff09;和UNIX System V的TLI&＃xff08;已经被淘汰&＃xff09;&＃xff0c;来实现网络进程之间的通信。就目前而言&＃xff0c;几乎所有的应用程序都是采用socket&＃xff0c;而现在又是网络时代&＃xff0c;网络中进程通信是无处不在&＃xff0c;这就是我为什么说“一切皆socket”。

2、什么是Socket&＃xff1f;

上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的&＃xff0c;那什么是socket呢&＃xff1f;socket起源于 Unix&＃xff0c;而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”&＃xff0c;都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现&＃xff0c;socket即是一种特殊的文件&＃xff0c;一些socket函数就是对其进行的操作&＃xff08;读/写IO、打开、关闭&＃xff09;&＃xff0c;这些函数我们在后面进行介绍。

socket一词的起源

在组网领域的首次使用是在1970年2月12日发布的文献IETF RFC33中发现的&＃xff0c;撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根据美国计算机历史博物馆的记载&＃xff0c;Croker写道&＃xff1a;“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&＃xff0c;而一个连接可完全由一对套接字接口规定。”计算机历史博物馆补充道&＃xff1a;“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。”

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现&＃xff0c;那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面以TCP为例&＃xff0c;介绍几个基本的socket接口函数。

3.1、socket()函数

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

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&＃xff0c;而socket()用于创建一个socket描述符&＃xff08;socket descriptor&＃xff09;&＃xff0c;它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样&＃xff0c;后续的操作都有用到它&＃xff0c;把它作为参数&＃xff0c;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&＃xff0c;以打开不同的文件。创建socket的时候&＃xff0c;也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符&＃xff0c;socket函数的三个参数分别为&＃xff1a;

• domain&＃xff1a;即协议域&＃xff0c;又称为协议族&＃xff08;family&＃xff09;。常用的协议族有&＃xff0c;AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL&＃xff08;或称AF_UNIX&＃xff0c;Unix域socket&＃xff09;、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型&＃xff0c;在通信中必须采用对应的地址&＃xff0c;如AF_INET决定了要用ipv4地址&＃xff08;32位的&＃xff09;与端口号&＃xff08;16位的&＃xff09;的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
• type&＃xff1a;指定socket类型。常用的socket类型有&＃xff0c;SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等&＃xff08;socket的类型有哪些&＃xff1f;&＃xff09;。
• protocol&＃xff1a;故名思意&＃xff0c;就是指定协议。常用的协议有&＃xff0c;IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等&＃xff0c;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&＃xff08;这个协议我将会单独开篇讨论&＃xff01;&＃xff09;。

注意&＃xff1a;并不是上面的type和protocol可以随意组合的&＃xff0c;如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时&＃xff0c;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&＃xff0c;返回的socket描述字它存在于协议族&＃xff08;address family&＃xff0c;AF_XXX&＃xff09;空间中&＃xff0c;但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址&＃xff0c;就必须调用bind()函数&＃xff0c;否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

3.2、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&＃xff1a;

• sockfd&＃xff1a;即socket描述字&＃xff0c;它是通过socket()函数创建了&＃xff0c;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&＃xff1a;一个const struct sockaddr *指针&＃xff0c;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&＃xff0c;如ipv4对应的是&＃xff1a;

  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&＃xff1a;

  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&＃xff1a;

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

• addrlen&＃xff1a;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&＃xff08;如ip地址&＃43;端口号&＃xff09;&＃xff0c;用于提供服务&＃xff0c;客户就可以通过它来接连服务器&＃xff1b;而客户端就不用指定&＃xff0c;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()&＃xff0c;而客户端就不会调用&＃xff0c;而是在connect()时由系统随机生成一个。

网络字节序与主机字节序

主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式&＃xff1a;不同的CPU有不同的字节序类型&＃xff0c;这些字节序是指整数在内存中保存的顺序&＃xff0c;这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下&＃xff1a;

　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端&＃xff0c;高位字节排放在内存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端&＃xff0c;低位字节排放在内存的高地址端。

网络字节序&＃xff1a;4个字节的32 bit值以下面的次序传输&＃xff1a;首先是0&＃xff5e;7bit&＃xff0c;其次8&＃xff5e;15bit&＃xff0c;然后16&＃xff5e;23bit&＃xff0c;最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序&＃xff0c;因此它又称作网络字节序。字节序&＃xff0c;顾名思义字节的顺序&＃xff0c;就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序&＃xff0c;一个字节的数据没有顺序的问题了。

所以&＃xff1a;在将一个地址绑定到socket的时候&＃xff0c;请先将主机字节序转换成为网络字节序&＃xff0c;而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案&＃xff01;公司项目代码中由于存在这个问题&＃xff0c;导致了很多莫名其妙的问题&＃xff0c;所以请谨记对主机字节序不要做任何假定&＃xff0c;务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

3.3、listen()、connect()函数

如果作为一个服务器&＃xff0c;在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket&＃xff0c;如果客户端这时调用connect()发出连接请求&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;listen函数将socket变为被动类型的&＃xff0c;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&＃xff0c;第二参数为服务器的socket地址&＃xff0c;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。

3.4、accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后&＃xff0c;就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想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&＃xff0c;就会调用accept()函数取接收请求&＃xff0c;这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了&＃xff0c;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);

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字&＃xff0c;第二个参数为指向struct sockaddr *的指针&＃xff0c;用于返回客户端的协议地址&＃xff0c;第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功&＃xff0c;那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字&＃xff0c;代表与返回客户的TCP连接。

注意&＃xff1a;accept的第一个参数为服务器的socket描述字&＃xff0c;是服务器开始调用socket()函数生成的&＃xff0c;称为监听socket描述字&＃xff1b;而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字&＃xff0c;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&＃xff0c;当服务器完成了对某个客户的服务&＃xff0c;相应的已连接socket描述字就被关闭。

3.5、read()、write()等函数

万事具备只欠东风&＃xff0c;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&＃xff0c;即实现了网咯中不同进程之间的通信&＃xff01;网络I/O操作有下面几组&＃xff1a;

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

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数&＃xff0c;这两个函数是最通用的I/O函数&＃xff0c;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&＃xff1a;

#include ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);#include #include 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&＃xff0c;read返回实际所读的字节数&＃xff0c;如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;并设置errno变量。 在网络程序中&＃xff0c;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&＃xff0c;表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0&＃xff0c;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&＃xff0c;具体参见man文档或者baidu、Google&＃xff0c;下面的例子中将使用到send/recv。

3.6、close()函数

在服务器与客户端建立连接之后&＃xff0c;会进行一些读写操作&＃xff0c;完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字&＃xff0c;好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include
int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭&＃xff0c;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&＃xff0c;也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意&＃xff1a;close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1&＃xff0c;只有当引用计数为0的时候&＃xff0c;才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

4、socket中TCP的三次握手建立连接详解

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”&＃xff0c;即交换三个分组。大致流程如下&＃xff1a;

• 客户端向服务器发送一个SYN J
• 服务器向客户端响应一个SYN K&＃xff0c;并对SYN J进行确认ACK J&＃43;1
• 客户端再想服务器发一个确认ACK K&＃43;1

只有就完了三次握手&＃xff0c;但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢&＃xff1f;请看下图&＃xff1a;

图1、socket中发送的TCP三次握手

从图中可以看出&＃xff0c;当客户端调用connect时&＃xff0c;触发了连接请求&＃xff0c;向服务器发送了SYN J包&＃xff0c;这时connect进入阻塞状态&＃xff1b;服务器监听到连接请求&＃xff0c;即收到SYN J包&＃xff0c;调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K &＃xff0c;ACK J&＃43;1&＃xff0c;这时accept进入阻塞状态&＃xff1b;客户端收到服务器的SYN K &＃xff0c;ACK J&＃43;1之后&＃xff0c;这时connect返回&＃xff0c;并对SYN K进行确认&＃xff1b;服务器收到ACK K&＃43;1时&＃xff0c;accept返回&＃xff0c;至此三次握手完毕&＃xff0c;连接建立。

总结&＃xff1a;客户端的connect在三次握手的第二个次返回&＃xff0c;而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手释放连接详解

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程&＃xff0c;及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程&＃xff0c;请看下图&＃xff1a;

图2、socket中发送的TCP四次握手

图示过程如下&＃xff1a;

• 某个应用进程首先调用close主动关闭连接&＃xff0c;这时TCP发送一个FIN M&＃xff1b;

• 另一端接收到FIN M之后&＃xff0c;执行被动关闭&＃xff0c;对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程&＃xff0c;因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据&＃xff1b;

• 一段时间之后&＃xff0c;接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N&＃xff1b;

• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

6、一个例子&＃xff08;实践一下&＃xff09;

说了这么多了&＃xff0c;动手实践一下。下面编写一个简单的服务器、客户端&＃xff08;使用TCP&＃xff09;——服务器端一直监听本机的6666号端口&＃xff0c;如果收到连接请求&＃xff0c;将接收请求并接收客户端发来的消息&＃xff1b;客户端与服务器端建立连接并发送一条消息。

服务器代码&＃xff1a;

客户端代码&＃xff1a;

如下是UDP例子&＃xff1a;

服务器代码: