《Unix高级环境编程》之套接字接口函数(一)

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GhostRiderLi

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本文详细介绍了TCP/IP协议的基础知识及网络构成要素，包括网卡、中继器、网桥、路由器、交换机、网关等的作用及区别。深入解析了TCP/IP的分层模型、各层的主要协议及其功能，并重点讲解了套接字接口的应用，涵盖了创建套接字、套接字描述符管理、进程标识、字节序转换等内容。

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套接字

TCP/IP 基础

网络构成要素：

网卡：连接互联网
中继器：作为对网络中衰弱的信号进行放大和发送的设备，连接在物理层，以便传输给另一个电缆。并不能判断数据是否有错，也无法改变传输速度。
- 一般用于同种介质之家你转接工作，有时候也可以用于电缆和光缆之间调整信号。
- 有的中继器叫做集线器。
网桥/2层交换机：用于连接一个网络与另外一个网络，属于OSI模型的第二层数据链路层(因此也叫做2层交换机)，根据数据帧的内容发送给相邻的其他网络。
- 例如常用的交换机。(根据交换机连接的不同网络设备的物理地址，发送内容)
- 根据物理地址(MAC地址)进行处理。
路由器/3层交换机：在网络层上连接两个网络的设备，并对根据IP地址，分组报文进行转发的设备(即，将报文根据IP地址分类，转发给不同IP)。
- 根据IP地址进行处理。
- 可以连接不同的数据链路层。
4-7层交换机：负责处理传输层到应用层的数据，负载均衡器，带宽控制，广域网加速器，防火墙。
网关：将传输层到应用层的数据进行转换和转发的设备。进行协议的转换和数据的转发。同一类型协议之间数据转发的交租应用网关，

TCP/IP的分层模型：

物理层(硬件)：负责传输数据的硬件
数据链路层(网络接口层)：利用以太网中的数据链路进行通信。
- 有时候，网络接口层和物理层成为网络通信层。
网络层：使用IP协议，基于IP地址转发分包数据。
- IP：IP地址以主机作为标识，是分组交换的一种协议，但是不具有重发机制，属于非可靠性传输协议。
- ICMP：IP数据包在发送过程中一旦发生异常导致无法到达目的地址，需要给发送端发送一个异常通知，有时候也用来诊断网络的健康状况。
- ARP：从分组数据包中解析出物理地址(MAC)的一种协议。
传输层：传输层主要的功能是让应用程序之间实现通信。十分应用程序的是端口号。
- TCP：一种面向有链接的传输协议，可以保证通信主机之间通信可达。可以正确处理丢包，乱序的情况，但是为了建立连接至少7次收包发包，浪费网络流量，不适合在视屏会议等场合使用。
- UDP：一种面向无连接的传输协议。常用于数据量较少，或多播，广播通信。
- 网络层和传输层通常由操作系统提供
应用层：对应于OSI模型中的会话层+表示层+应用层
- WWW：浏览器于服务器之间的协议是HTTP(超文本传输协议)，主要的数据格式是HTML。HTTP属于OSI中的应用层协议，HTML属于OSI中的表示层协议。
- 电子邮件(SMTP,Simple Mail Transfer Protocol)
- 文本传输(FTP, File Transfer Protocol)：使用过程中会建立两个连接：发出传输请求要哦用到的控制连接，实际传输时用到的数据连接。
- 远程登录(TELNET与SSH)：
- 网络管理协议(SNMP,Simole Network Management Protocol)

套接字接口

使用 socket 函数创建套接字
```
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);
```
- 功能：创建套接字
- 参数：
  - domain：确定通信的特性，包括地址格式，每个域都有自己的地址格式。POSIX.1指定的域包括：
    - AF_INET ：IPv4地址域。
    - AF_INET6 ：IPv6地址域。
    - AF_UNIX ：UNIX域。
    - AF_UNSPEC ：未指定，可以代表任何域。
  - type：确定套接字的类型。POSIX.1定义的套接字类型有：
    - SOCK_SEQPACKET ：长度固定、有序、可靠的面向连接报文传递，默认协议SCTP(Stream Control Transfer Protocol)。从套接字接收的数据量和对方发送的一致。
    - SOCK_STREAM ：有序、可靠、双向的面向连接字节流，默认协议TCP。应用程序分不清字节流服务报文界限，从套接字读取数据时可能需要多次函数调用。
    - SOCK_DGRAM ：长度固定、不可靠的无连接报文传递，默认协议UDP。
    - SOCK_RAW ：IP协议的数据报接口，默认协议直接基于IP。套接字提供了一个数据报接口用于直接访问网络层（IP层），使用它时需要自己构造协议首部。创建 SOCK_RAW 套接字需要超级用户特权。
  - protocol：通常为0，表示按给定的域和套接字类型选择默认协议。在 domain 和 type 给定的情况下如果有多个协议，可以用 protocol 指定协议。因特网域套接字定义的协议：
    - IPPROTO_IP: Ipv4网际协议；
    - IPPROTO_IPV6：Ipv6网际协议；
    - IPPROTO_ICMP：因特网控制报文协议(Internet Control Message Protocol)；
    - PPROTO_RAW：原始IP数据包协议；
    - IPPROTO_TCP：传输控制协议；
    - IPPROTO_UDP：用户数据报协议；
- 尽管套接字描述符是文件描述符，担不是所有使用文件描述符的函数都能处理套接字描述符，下面是有关函数的支持情况：
  - close 释放套接字
  - dup dup2 正常复制
  - fcntl 支持一些命令，如 F_DUPFD 、 F_GETFD 、 F_GETFL 、 F_GETOWN 、 F_SETFD 、 F_SETFL、 F_SETOWN
  - fstat 支持一些 stat 结构成员，由实现定义
  - ioctl 支持部分命令，依赖于底层设备驱动
  - poll 正常使用
  - read readv 等价于无标志位的 recv
  - select 正常使用
  - write writev 等价于无标志位的 send
- 返回值：
  - 成功：返回描述符
  - 失败：返回-1，设置errno。
禁止套接字上的输入输出：
```
#include <sys/socket.h>

int shutdown(int sockfd, int how);
```
- 功能：
- 参数：
  - how:
    - SHUT_RD ，关闭读端，即无法从套接字读取数据。
    - SHUT_WR ，关闭写端，即无法用套接字发送数据。
    - SHUT_RDWR ，关闭读写，同时无法读取和发送数据。
- 返回值：
  - 成功：返回0
  - 失败：返回-1，设置errno。
- close：释放套接字，只有最后一个描述符关闭才会释放网络端点。
网络间进程标识：计算机网络地址，计算机上用端口表示的服务。
字节序：就是不同计算机是大端还是小端的问题，造成通信的问题。TCP/IP协议栈规定使用大端字节序通信。
- 大端：低字节数据存储在高地址
- 小端：低字节数据存储在低地址

处理机字节序和网络字节序之间的转换：


#include <arpa/inet.h>

/* 将主机字节序的32位整型数转换为网络字节序 */
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
/* 将主机字节序的16位整型数转换为网络字节序 */
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
/* 将网络字节序的32位整型数转换为主机字节序 */
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
/* 将网络字节序的16位整型数转换为主机字节序 */
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

地址格式：地址标识特定通信域中的套接字端点，地址格式和特定通信域相关。为兼容不同格式的地址，地址被强制转换为通用的地址结构 sockaddr ，Linux系统中该结构定义如下：


#include <netinet/in.h>

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;      /* 地址类型 */
    char        sa_data[14];    /* 变长地址 */
};

in_port_t 定义为 uint16_t ， in_addr_t 定义为 uint32_t 。

AF_INET 域中，套接字地址结构如下:

struct in_addr {
    in_addr_t       s_addr;         /* IPv4地址32位 */
};
struct sockaddr_in {
    sa_family_t     sin_family;     /* 地址类型 */
    in_port_t       sin_port;       /* 端口号 */
    struct in_addr  sin_addr;       /* IPv4地址 */
    unsigned char   sin_zero[8];    /* 0填充 */
};

AF_INET6 域中，套接字地址结构如下：

struct in6_addr {
uint8_t         s6_addr[16];    /* IPv6地址128位 */
};
struct sockaddr_in6 {
    sa_family_t     sin6_family;    /* 地址类型 */
    in_port_t       sin6_port;      /* 端口号 */
    uint32_t        sin6_flowinfo;  /* 传输类和流信息 */
    struct in6_addr sin6_addr;      /* IPv6地址 */
    uint32_t        sin6_scope_id;  /* 作用域的接口集 */
};

地址二进制和十进制的转换：可以用 inet_ntop 和 inet_pton 函数对IPv4和IPv6地址作二进制和点分十进制字符串之间的转换。类似的还有 inet_addr 和 inet_ntoa 等函数，但它们只能用于IPv4地址。
```
#include <arpa/inet.h>

const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
```
- 功能：将af域中的网络字节序的二进制地址转换成为字符串，存在dst指向的缓冲区
+　参数：
```
+ `af`：只支持`AF_INET`和`AF_INET6`；

+ `size`：指定dst的缓冲区的大小，可用 INET_ADDRSTRLEN 和 INET6_ADDRSTRLEN 来为IPv4和IPv6地址的字符串设置足够大的空间。
```
- 返回值：
  - 成功：返回指向dst的指针；
  - 失败：返回空指针，设置errno；
```
#include <arpa/inet.h>

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
```
- 功能：将af域中的字符串地址转换成为网络字节序的二进制地址，存在dst指向的缓冲区
+　参数：
```
+ `af`：只支持`AF_INET`和`AF_INET6`；
```
- 返回值：
  - 成功：返回1；
  - 失败：返回0，则表示src中的字符串不是有效的网络地址；返回-1，则表示af不是有效的address family，并设置errno；

地址查询：找到给定计算机的主机信息：

涉及的文件：/etc/hosts host 数据文件


#include <netdb.h>

extern int h_errno;
struct hostent *gethostent(void);/*system V / POSIX 扩展*/

获取主机结构体信息

结构体：

struct hostent {
    char  *h_name;            /* 主机名 */
    char **h_aliases;         /* 主机别名列表 */
    int    h_addrtype;        /* 主机地址类型 */
    int    h_length;          /* 地址长度 */
    char **h_addr_list;       /* 地址列表 */
};

返回值：
- 成功返回结构体指针；
- 失败返回空指针，错误编号存在h_errno；
```
#include <netdb.h>

extern int h_errno;
void sethostent(int stayopen);
```
功能：
stayopen：
- 0：
- 非0值：在调用gethostent之后文件保持打开。
```
#include <netdb.h>

extern int h_errno;
void endhostent(void);
```
功能：关闭文件。