值得收藏的TCP套接口编程文章

2023-11-08

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本文由jackieluo发表于云+社区专栏

TCP客户端-服务器典型事件

下图是TCP客户端与服务器之间交互的一系列典型事件时间表：

首先启动服务器，等待客户端连接
启动客户端，连接到服务器
客户端发送一个请求给服务器，服务器处理请求，响应客户端
循环步骤3
客户端给服务器发一个文件结束符，关闭客户端连接
服务器也关闭连接

基本TCP客户-服务器程序的套接口函数

套接口编程基本函数

socket 函数

为了执行网络I/O，一个进程（无论是服务端还是客户端）必须做的第一件事情就是调用socket函数。

#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */
int socket(int family, int type, int protocol);/* 返回：非负描述字——成功，-1——出错 */

family——协议族

族	解释
`AF_INET`	IPv4协议
`AF_INET6`	IPv6协议
`AF_LOCAL`	Unix域协议
`AF_ROUTE`	路由套接口
`AF_KEY`	密钥套接口

type——套接口类型

类型	解释
`SOCK_STREAM`	字节流套接口
`SOCK_DGRAM`	数据报套接口
`SOCK_RAW`	原始套接口

下面是有效的family和type组合（简略版）：

	`AF_INET`	`AF_INET6`
`SOCK_STREAM`	TCP	TCP
`SOCK_DGRAM`	UDP	UDP
`SOCK_RAW`	IPv4	IPv6

socket函数返回一个套接口描述字，简称套接字（sockfd）。获取套接字无需指定地址，只需要指定协议族和套接口类型（如上表中的组合）。

connect函数

TCP客户用connect函数来建立一个与TCP服务器的连接。

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

参数sockfd便是socket函数返回的套接口描述字。
套接口地址结构servaddr必须包含服务器的IP地址和端口号。
客户端不必非要绑定一个端口（调用bind函数），内核会选择源IP和一个临时端口。
connect函数会触发TCP三次握手。有可能出现下面的错误情况：

1.客户端未收到SYN分节的响应

第一次发出未收到，间隔6s再发一次，再没收到，隔24秒再发一次，总共等待75s还没收到则返回错误（ ETIMEDOUT）。可以用时间日期程序验证一下：

查看本地网络信息：

JACKIELUO-MC0:intro jackieluo$ ifconfig
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
	ether f4:0f:24:2a:72:a6
	inet6 fe80::1830:dbd:1b29:2989%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x6
	inet 192.168.0.101 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.0.255
	nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
	media: autoselect
	status: active

将程序指向本地地址192.168.0.101（确保时间日期服务器程序已运行），成功：

JACKIELUO-MC0:intro jackieluo$ ./daytimetcpcli 192.168.0.101
Sat Oct  6 17:06:55 2018

将程序指向本地子网地址192.168.0.102，其主机ID（102）不存在，等待几分钟后超时返回：

JACKIELUO-MC0:intro jackieluo$ ./daytimetcpcli 192.168.0.102
connect error: Operation timed out

2.收到RST

即服务器主机在指定端口上没有等待连接的进程，这称为“hard error”，客户端一接收到RST，马上返回错误（ECONNREFUSED）。验证：

关闭之前本机运行的daytimetcpsrv进程

将程序指向本地地址192.168.0.101：

JACKIELUO-MC0:intro jackieluo$ ./daytimetcpcli 192.168.0.101
connect error: Connection refused

3.发出的SYN在路由器上引发了目的不可达ICMP错误

这个错误被称为“soft error”，最终返回EHOSTUNREACH或者ENETUNREACH。

bind函数

函数bind为套接口分配一个本地协议地址，包括IP地址和端口号。

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

客户端可以不调用这个函数，由内核选择一个本地ip的临时端口就好。
服务器一般都会调用bind函数绑定ip地址和端口，供客户端调用。一个例外是RPC（远程过程调用）服务器，它由内核为其选择临时端口。然后通过RPC端口映射器进行注册，客户端与该服务器连接之前，先通过端口映射器获取服务器的端口。
进程可以把一个特定的IP地址捆绑到它的套接口上。对于客户端，它发送的请求，源IP地址就是这个地址；对于服务器，如果绑定了IP地址，则只接受目的地为此IP地址的客户连接。
如果服务器不把IP地址绑定到套接口上，那么内核把客户端发送SYN所在分组的目的IP地址作为服务器的源IP地址。（即服务器收到SYN的IP）

给函数bind指定用于捆绑的IP地址和/或端口号的结果：

IP地址	端口	结果
	0	内核选择IP地址和端口
	非0	内核选择IP地址，进程指定端口
本地IP地址	0	进程选择IP地址，内核指定端口
本地IP地址	非0	进程选择IP地址和端口

listen函数

函数listen仅被TCP服务器调用。

#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */
int listen(int sockfd, int backlog);/* 返回：0——成功，-1——出错 */

调用函数socket函数创建的套接口，默认是主动方，下一步应是调用connect，CLOSED的下一个状态是SYN_SENT（见TCP状态转换图）。而函数listen将套接口转换成被动方，告诉内核，应接受指向此套接口的连接请求，CLOSED状态变成LISTEN。

函数listen的第二个参数backlog表示内核为此套接口排队的最大连接数。对于给定的监听套接口，内核会维护两个队列：

未完成连接队列（incomplete connection queue） SYN分节已由客户发出，到达服务器，正在进行TCP的三路握手。此时这些套接口处于SYN_RCVD状态。
已完成连接队列（completed connection queue） SYN分节已由客户发出，到达服务器，并且已完成三路握手。此时这些套接口处于ESTABLISHED状态。
当来自客户的SYN到达时，TCP在未完成连接队列中创建一个新条目，直到三路握手中，第三个分节（客户对服务SYN的ACK）到达，这个条目移到已完成连接队列的队尾。
当进程调用accept函数时，已完成连接队列的头部条目返回给进程。
两个队列之和不能超过backlog
当一个客户SYN到达时，若这两个队列都是满的，TCP就忽略此分节，且不发送RST。客户TCP将重发SYN，期望不久就能在队列中找到空闲位置。

TCP为监听套接口维护的两个队列

accept函数

函数accept由TCP服务器调用，从已完成连接队列头部返回下一个已完成连接，若该队列为空，则进程睡眠（假定套接口为默认的阻塞方式）。

#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */
int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);/* 返回：非负描述字——成功，-1——出错 */

函数accept的第一个参数和返回值都是套接口描述字。其中，

第一个参数，称为监听套接口描述字，即由函数socket返回，也用于bind，listen的第一个参数。
返回值，称为已连接套接口描述字。

通常一个服务器，只生成一个监听套接口描述字，直到其关闭。而内核为每个被接受的客户连接，创建一个已连接套接口，当客户连接完成时，关闭该已连接套接口。

注意到intro/daytimetcpsrv.c中，后两个参数传的都是空指针，这是因为我们不关注客户的身份，无需知道客户的协议地址。

connfd = Accept(listenfd, (SA *) NULL, NULL);

稍作修改，不再传入空指针，见intro/daytimetcpsrv1.c：

socklen_t len;
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
...
connfd = Accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &len);
printf("connection from %s, port %d\n",
    Inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, buff, sizeof(buff)),
    ntohs(cliaddr.sin_port));

kill掉之前的daytimetcpsrv进程：

$ sudo lsof -i -P | grep -i "listen"
daytimetc 80986           root    3u  IPv4 0xae12d925e4528793      0t0    TCP *:13 (LISTEN)
$ sudo kill -9 80986

编译运行新的服务端程序：

$ make daytimetcpsrv1.c daytimetcpsrv1
$ ./daytimetcpsrv1

重复执行客户端程序，发几个请求：

$ ./daytimetcpcli 127.0.0.1
Wed Sep 26 14:11:20 2018
$ ./daytimetcpcli 127.0.0.1
Wed Sep 26 14:17:06 2018

查看服务端打印：

connection from 127.0.0.1, port 58201
connection from 127.0.0.1, port 58342

注意到，由于客户端程序没有调用bind函数，内核为它的协议地址选择了源ip作为IP地址，临时端口号也发生了变化。

fork和exec函数

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);/* 返回：在子进程中为0，在父进程中为子进程ID，-1——出错 */

fork函数调用一次，却返回两次。

在调用它的进程（即父进程），它返回一次，返回值是派生出来的子进程的进程ID。父进程可能有很多子进程，必须通过返回值跟踪记录子进程ID。
在子进程，它还返回一次，返回值为0。子进程只有一个父进程，总可以通过getppid来得到父进程的ID

通过返回值可以判断当前进程是子进程还是父进程。

父进程在调用fork之前打开的所有描述字在函数fork返回后都是共享的。网络服务器会利用这一特性：

父进程调用accept。
父进程调用fork，已连接套接口就在父进程与子进程间共享。（一般来说就是子进程读、写已连接套接口，而父进程关闭已连接套接口）。

fork有两个典型应用：

一个进程为自己派生一个拷贝，并发执行任务，这也是典型的并发网络服务器模型。
一个进程想执行其他的程序，于是调用fork生成一个拷贝，利用子进程调用exec来执行新的程序。典型应用是shell。

以文件形式存储在硬盘上的可执行程序若要被执行，需要由一个现有进程调用exec函数。我们将调用exec的进程称为调用进程，新程序的进程ID并不改变，仍处于当前进程。

小结

客户和服务器，从调用socket开始，返回一个套接口描述字。客户调用connect，服务器调用bind、listen、accept。最后套接口由close关闭。

多数TCP服务器是调用fork来实现并发处理多客户请求的。多数UDP服务器则是迭代的。

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