本文深入探讨Linux环境下TCP socket如何在多个接口上复用同一端口，通过设置SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT选项实现端口复用，并详细解释其实现原理和测试结果。
SO_REUSEADDR
linux下多个tcp socket不能同时bind到一个ip:port上，但是可以bind到不同的ip相同的port上，前提是都要设置SO_REUSEADDR选项为true。否则会返回address already in use。
比如bind(127.0.0.1:80) bind(192.168.0.10:80) bind(10.0.0.12:80)这取决于有多少个网络接口，客户端connect的时候选择不同的ip和端口连接就可以了。
如果试图bind到同一个ip:port上，也必须是在前一个socket关闭，连接处于time_wait状态的时候。这种情况下大都是为了服务程序能够快速的重新启动，避免等待。
实际测试结果，假设我们本地是有2个ip地址127.0.0.1和10.0.0.1，服务端口为80，INADDR_ANY=0.0.0.0
如果设置了SO_REUSEADDR为1
1,先bind(0.0.0.0)成功，如果再bind(127.0.0.1)和bind(10.0.0.1)都会失败
2,先bind(127.0.0.1)成功，如果再bind(0.0.0.0)会失败，但bind(10.0.0.1)会成功
3,先bind(10.0.0.1)成功，如果再bind(0.0.0.0)会失败，但bind(127.0.0.1)会成功
4,先bind(x.x.x.x)成功，如果再bind(x.x.x.x)肯定失败
SO_REUSEPORT
linux下多个tcp socket可以同时bind到一个ip:port上，前提是都要设置SO_REUSEPORT选项为true。否则会返回address already in use。
当客户端connect这个ip:port的时候，实际上只有一个bind的socket是有效的，其他bind的socket是无法收到connect数据的。这个socket貌似也是系统随机挑选的，没有严格顺序。
实际测试结果，假设我们本地是有2个ip地址127.0.0.1和10.0.0.1，服务端口为80，INADDR_ANY=0.0.0.0
如果设置了SO_REUSEPORT为1
1,先bind(x.x.x.x)成功，如果再bind不同的ip都会成功
只是在数据的流向上会优先流向显示指定ip地址的socket。
比如bind(0.0.0.0)和bind(10.0.0.1)之后，
如果客户端connect(10.0.0.1)，那就是第二个socket来接收数据。如果第二个socket关闭了，那则改为第一个socket来接收连接。
如果客户端connect(127.0.0.1)，呢就是第一个socket接收数据。
2,如果bind两个相同的ip和port，那系统会根据srcip srcport dstip dstport做一个哈希，分配到指定的cpu核心和一个指定的socket来处理。
总结：SO_REUSEADDR是一个排他性的标记，一旦某个地址和某个socket绑定，并设置了该标志，那其他任意的socket都不能和该地址bind，包括其子地址。
一旦某个地址被bind成功了，使用该标记再bind该地址及其子地址也不会成功。唯一的例外是time_wait状态下，可以用同一地址成功bind。
SO_REUSEPORT则是一个包容性的标记，只要打上该标记，就可以随意的将socket和相同的或者不同的地址进行bind。然后系统会随机分配连接到这些socket。
那linux下想利用端口复用实现转发以及穿越防火墙的实现场景就和windows下不太一样了。
如果应用服务程序，bind的是INADDR_ANY，切设置了SO_REUSEADDR标记，那基本上在socket层面没法再bind该端口并接收数据了。即使先stop掉服务程序，自己先bind该端口，再启动服务程序，服务程序也会bind失败，进而转发没法实现。除非能把服务bind到localhost上，然后第三方程序bind到对外接口上，实现转发。
如果应用服务程序，设置了SO_REUSEPORT标记，那第三方程序也可以bind该端口，这样第三方程序就可以接收到部分连接数据并转发给服务程序。但问题是，第三方程序没法完全接收所有连接数据，这样就还是一个很受限制的转发了。
测试代码：
#ifdef WIN32
#include <WinSock2.h>
#include <WS2tcpip.h>
#define SO_REUSEPORT 0 // SO_REUSEPORT is not impl under windows
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
#else
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
// g++ this.cpp -std=c++11 -lpthread -o test
#endif
#include <string.h>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <sstream>
struct SocketTool
{
SocketTool()
{
#ifdef WIN32
WORD wVersionRequested;
WSADATA wsaData;
wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);
WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
#endif
}
template <typename SOCKET_TYPE>
static int CloseSocket(SOCKET_TYPE skt)
{
#ifdef WIN32
return closesocket(skt);
#else
return close(skt);
#endif
}
static sockaddr_in GenInAddr(const char *szIP, unsigned uPort)
{
sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(uPort);
#ifdef WIN32
inet_pton(AF_INET, szIP, &addr.sin_addr);
#else
inet_aton(szIP, &addr.sin_addr);
#endif
return addr;
}
static std::string PrintInAddr(const sockaddr_in& addr)
{
char buf[128] = { 0 };
inet_ntop(AF_INET, (void*)&addr.sin_addr, buf, sizeof(buf));
auto port = ntohs(addr.sin_port);
std::stringstream ss;
ss << buf << ":" << port;
return ss.str();
}
~SocketTool()
{
#ifdef WIN32
WSACleanup();
#endif
}
};
void TestClient(const char *ip, unsigned port)
{
SocketTool sktTool;
bool bCotinue = true;
auto thread = [&bCotinue, ip, port](){
auto s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
auto addr = SocketTool::GenInAddr(ip, port);
auto ret = connect(s, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
if (ret != 0)
{
std::stringstream ss;
ss << "connect " << ip << ":" << port << "failed";
std::cout << ss.str() << std::endl;
}
std::stringstream ss;
ss << "this is send from thread " << std::this_thread::get_id();
std::string strSend = ss.str();
do
{
auto r = send(s, strSend.c_str(), strSend.length(), 0);
if (r <= 0)
{
std::stringstream ss;
ss << "send " << ip << ":" << port << "failed";
std::cout << ss.str() << std::endl;
break;
}
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
std::cout << strSend << std::endl;
} while (bCotinue);
SocketTool::CloseSocket(s);
};
for (auto i = 0; i < 5; ++i)
{
std::thread t(thread);
t.detach();
}
std::thread t(thread);
t.join();
}
void TestServ(const char *ip, unsigned port, unsigned reuseflag)
{
SocketTool sktTool;
auto serv = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (reuseflag != 0)
{
int reuse = 1;
if (setsockopt(serv, SOL_SOCKET, reuseflag, (char *)&reuse, sizeof(reuse)) == -1)
{
std::cout << "setsockopt " << reuseflag << "failed" << std::endl;
return;
}
}
auto addr = SocketTool::GenInAddr(ip, port);
if (bind(serv, (sockaddr*)&addr, sizeof(sockaddr)) == -1)
{
std::cout << "bind failed" << std::endl;
return;
}
if (listen(serv, 5) == -1)
{
std::cout << "listen failed" << std::endl;
return;
}
while (true)
{
sockaddr_in client_addr;
socklen_t length = sizeof(client_addr);
auto con = accept(serv, (struct sockaddr*)&client_addr, &length);
if (con < 0)
{
std::cout << "accept failed!\n";
}
else
{
auto strClient = SocketTool::PrintInAddr(client_addr);
std::cout << "accept from " << strClient << std::endl;
std::thread procThread([con, strClient](){
char buf[1024] = { 0 };
do
{
int ret = recv(con, buf, 1024, 0);
if (ret <= 0)
{
std::cout << strClient << " closed!" << std::endl;
SocketTool::CloseSocket(con);
break;
}
else
{
buf[ret] = 0;
std::cout << strClient << ":" << buf << std::endl;
}
} while (true);
});
procThread.detach();
}
}
SocketTool::CloseSocket(serv);
}
int main(int argc, char **argv)
{
if (argc != 4)
{
std::cout << "usage: socket c|p|a ip port\n"
<< "c=client(connect(ip:port))\np=SO_REUSEPORT(not impl in windows)\na=SO_REUSEPORT" << std::endl;
return 0;
}
char *ip = argv[2];
int port = atoi(argv[3]);
if (argv[1][0] == 'c')
{
TestClient(ip, port);
}
else if (argv[1][0] == 'p')
{
TestServ(ip, port, SO_REUSEPORT);
}
else if (argv[1][0] == 'a')
{
TestServ(ip, port, SO_REUSEADDR);
}
else
{
TestServ(ip, port, 0);
}
return 0;
}
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