unix网络编程卷一：第四章——基本TCP套接口编程

基本TCP套接口编程

4.1 过程

4.2 socket

#include <sys/socket.h>
int socket(int family, int type, int protocal);

返回值：成功返回非负整数，与文件描述符类似，称为套接口描述字，简称套接字（sockfd）。
注意调用完socket函数之后只是有了一个某一协议下的套接字，并没有指明地址之类的。

• family：协议族

family	说明
AF_INET	IPv4
AF_INET6	IPv6
AF_LOCAL	unix协议域

AF_xxx（address family？？）地址族。

• type：套接口类型

type	说明
SOCK_STREAM	字节流套接口
SOCK_DGRAM	数据报套接口
SOCK_RAW	原始套接口

• protocol：协议

protocol	说明
IPPROTO_TCP	TCP
IPPROTO_UDP	UDP
IPPROTO_SCTP	SCTP

4.3 connect

从4.1中的图中可以看出connect是客户端调用的一个函数。
客户端在调用connect之前不用调用bind函数，内核会选择IP地址与端口。
connect函数的形式是：

#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const sockaddr* servaddr, socklen_t addrlen);
//返回值：0-成功，1-出错

参数解析：

• sockfd：调用socket()函数返回的套接字；
• servaddr：指向服务器的套接口地址结构体的指针；
• addrlen：结构体的长度；

如果是TCP套接口，客户端在调用connect函数时，会触发三次握手。
而且connect函数只有在成功或出错时才会返回。
也就是说，如果connect函数返回了，表明已经成功建立连接或者出错了。

如果连接失败会怎么样呢？会出现什么类型的连接失败呢？

1. 客户端没有收到服务器对的SYN的响应
   如果超时，客户端会重发SYN，但是多次重发之后无响应则返回ETIMEDOUT错误。

2. 服务器对客户端发出的SYN的响应为RST
   服务器没有在客户端指定的端口上监听的进程。返回ECONNREFUSED.

3. 客户端发出的SYN在某个路由器出现目的不可达

如果connect成功了，那么将从SYN_SENT状态转变为established。
如果connect失败了，将直接进入CLOSED状态，则下次不能再使用本次的套接字，必须关闭。

4.4 bind

将IP地址与端口赋予一个套接口。

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* myaddr, socklen_t addrlen);
//返回值：0-成功, -1-出错

比较关键的是第二个参数，这里有IP地址与端口号。

bind可以绑定IP地址与端口号，也可以不绑定。
对于客户端，如果不绑定IP地址，则内核在connect的时候会自动选择；
对于服务器，内核把客户端发送的SYN中的目的IP地址当做服务器的源IP地址。

如果指定的端口号为0，则内核在bind时会选择一个端口；
如果指定的IP地址为通配地址，那么内核在已连接（TCP）或者发送数据报（UDP）时才选择IP地址。
关于通配地址：IPv4的通配地址为INADDR_ANY，一般为0。

4.5 listen

只用于服务端。
形式：

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

作用：
1）使用socket函数创建套接字时，默认创建的是主动套接字，也就是说他会主动发起connect，但是对于服务器端，应该是被动地被连接，所以listen函数就把主动套接字变为被动套接字，使得服务端从CLOSED状态转变为LISTEN状态。
2）规定内核应该为相应套接口排队的最大连接数。

这里说的最大连接数是什么意思呢？
实际上，内核为监听套接口维护两个队列，分别是：

1. 未完成连接队列：SYN已经由客户端发出并到达服务器，但是服务器正在等待进行TCP三次握手的过程，此时套接口处于SYN_RCVD状态。
2. 已完成连接队列：每个已完成TCP三次握手的客户对应一项。套接口处于established状态。

从上图可以看出，每到达一个SYN，TCP在未完成队列中创建一个新项，三次握手完成之后，该项就从未完成队列转移到已完成连接队列的尾部，该项将一直存在直到三次握手完成或者超时。当进程调用accept时，从已完成队列中取出队头。

4.6 accept

服务器调用，用处：从已完成连接队列队头返回下一个已完成连接。如果队列为空，则进入睡眠（假设套接口为阻塞方式）。

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr* cliaddr, socklen_t* addrlen);

参数struct sockaddr* cliaddr用来返回客户端地址信息。
这个函数会返回一个套接字，注意返回的套接字为已连接套接字，和第一个参数“监听套接字”不同。
一个服务器通常只有一个监听套接字，但是每建立一个连接就会产生一个新的已连接套接字。监听套接字的生命周期与服务器进程生命周期相同，但是已连接套接字在连接释放之后就被关闭了。

4.8 fork与并发服务器

为每一个新到来的连接创建一个进程，在父进程中继续监听，在子进程中完成对客户需求的处理。

连接建立之后，accept返回一个已连接套接字connfd，此时调用fork，在父进程中直接关闭connfd，在子进程中关闭listenfd，执行操作然后退出。

框架：

pid_t pid;
int listenfd, connfd;
listenfd = socket(...);
bind(listenfd, ...);
listen(listenfd, ...);
for(;;) {
	connfd = accept(listenfd, ...);
	if( (pid = fork()) == 0 ) { // child proc
		close(listenfd); //子进程关闭listefd
		do_something();	 //子进程处理函数
		close(connfd);	 //关闭connfd
		exit(0);		 //子进程退出
	}
	// father proc
	close(connfd);//父进程直接关闭connfd, 然后等待下一个连接
}

调用close会导致发送一个FIN，但是上面的例子中父进程close(connfd)但是没有断开与客户端的连接，这是为什么呢？

其实是因为执行fork函数时，套接字connfd的引用计数加一了，在父进程中执行close并没有将connfd的引用计数变为0，所以连接没断。
注意：fork之后的文件描述符以及套接字由父子进程共享，因此引用计数会加一。

子进程关闭listenfd，父进程关闭connfd的过程：

4.9 close

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

默认行为：将套接口标记为已关闭，立即返回，被标记为已关闭的套接口不能再被write与read函数调用。
但是这种默认行为可以通过某种方式改变，如套接口选项SO_LINGER。

在上一节并发服务器中说了文件描述符与引用计数的问题，父进程中关闭只会使得相应的套接字引用计数减一，只有在引用计数变为0之后才会触发FIN的发送。

如果就是想发送一个FIN，则应该调用shutdown函数。

父进程一定记得关闭connfd，否则会耗尽套接字，而且连接不会被终止。

getsockname()返回本地地址;
getpeername()返回客户端地址;