本文由jackieluo發表於雲+社區專欄

TCP客戶端-服務器典型事件

下圖是TCP客戶端與服務器之間交互的一系列典型事件時間表：

1. 首先啟動服務器，等待客戶端連接
2. 啟動客戶端，連接到服務器
3. 客戶端發送一個請求給服務器，服務器處理請求，響應客戶端
4. 循環步驟3
5. 客戶端給服務器發一個文件結束符，關閉客戶端連接
6. 服務器也關閉連接

基本TCP客戶-服務器程序的套接口函數

套接口編程基本函數

socket 函數

為了執行網絡I/O，一個進程（無論是服務端還是客戶端）必須做的第一件事情就是調用socket函數。

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

• family——協議族

• type——套接口類型

下面是有效的family和type組合（簡略版）：

socket函數返回一個套接口描述字，簡稱套接字（sockfd）。獲取套接字無需指定地址，只需要指定協議族和套接口類型（如上表中的組合）。

connect函數

TCP客戶用connect函數來建立一個與TCP服務器的連接。

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

• 參數sockfd便是socket函數返回的套接口描述字。
• 套接口地址結構servaddr必須包含服務器的IP地址和端口號。
• 客戶端不必非要綁定一個端口（調用bind函數），內核會選擇源IP和一個臨時端口。
• connect函數會觸發TCP三次握手。有可能出現下面的錯誤情況：

1.客戶端未收到SYN分節的響應

第一次發出未收到，間隔6s再發一次，再沒收到，隔24秒再發一次，總共等待75s還沒收到則返回錯誤（ ETIMEDOUT）。可以用時間日期程序驗證一下：

查看本地網絡信息：

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

將程序指向本地地址192.168.0.101（確保時間日期服務器程序已運行），成功：

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

將程序指向本地子網地址192.168.0.102，其主機ID（102）不存在，等待幾分鐘後超時返回：

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

2.收到RST

即服務器主機在指定端口上沒有等待連接的進程，這稱為“hard error”，客戶端一接收到RST，馬上返回錯誤（ECONNREFUSED）。驗證：

關閉之前本機運行的daytimetcpsrv進程

將程序指向本地地址192.168.0.101：

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

3.發出的SYN在路由器上引發了目的不可達ICMP錯誤

這個錯誤被稱為“soft error”，最終返回EHOSTUNREACH或者ENETUNREACH。

bind函數

函數bind為套接口分配一個本地協議地址，包括IP地址和端口號。

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

• 客戶端可以不調用這個函數，由內核選擇一個本地ip的臨時端口就好。
• 服務器一般都會調用bind函數綁定ip地址和端口，供客戶端調用。一個例外是RPC（遠程過程調用）服務器，它由內核為其選擇臨時端口。然後通過RPC端口映射器進行註冊，客戶端與該服務器連接之前，先通過端口映射器獲取服務器的端口。
• 進程可以把一個特定的IP地址捆綁到它的套接口上。對於客戶端，它發送的請求，源IP地址就是這個地址；對於服務器，如果綁定了IP地址，則只接受目的地為此IP地址的客戶連接。
• 如果服務器不把IP地址綁定到套接口上，那麽內核把客戶端發送SYN所在分組的目的IP地址作為服務器的源IP地址。（即服務器收到SYN的IP）

給函數bind指定用於捆綁的IP地址和/或端口號的結果：

listen函數

函數listen僅被TCP服務器調用。

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

調用函數socket函數創建的套接口，默認是主動方，下一步應是調用connect，CLOSED的下一個狀態是SYN_SENT（見TCP狀態轉換圖）。而函數listen將套接口轉換成被動方，告訴內核，應接受指向此套接口的連接請求，CLOSED狀態變成LISTEN。

函數listen的第二個參數backlog表示內核為此套接口排隊的最大連接數。對於給定的監聽套接口，內核會維護兩個隊列：

1. 未完成連接隊列（incomplete connection queue） SYN分節已由客戶發出，到達服務器，正在進行TCP的三路握手。此時這些套接口處於SYN_RCVD狀態。

2. 已完成連接隊列（completed connection queue） SYN分節已由客戶發出，到達服務器，並且已完成三路握手。此時這些套接口處於ESTABLISHED狀態。

3. 當來自客戶的SYN到達時，TCP在未完成連接隊列中創建一個新條目，直到三路握手中，第三個分節（客戶對服務SYN的ACK）到達，這個條目移到已完成連接隊列的隊尾。

4. 當進程調用accept函數時，已完成連接隊列的頭部條目返回給進程。

5. 兩個隊列之和不能超過backlog

6. 當一個客戶SYN到達時，若這兩個隊列都是滿的，TCP就忽略此分節，且不發送RST。客戶TCP將重發SYN，期望不久就能在隊列中找到空閑位置。

   TCP為監聽套接口維護的兩個隊列

accept函數

函數accept由TCP服務器調用，從已完成連接隊列頭部返回下一個已完成連接，若該隊列為空，則進程睡眠（假定套接口為默認的阻塞方式）。

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

函數accept的第一個參數和返回值都是套接口描述字。其中，

1. 第一個參數，稱為監聽套接口描述字，即由函數socket返回，也用於bind，listen的第一個參數。
2. 返回值，稱為已連接套接口描述字。

通常一個服務器，只生成一個監聽套接口描述字，直到其關閉。而內核為每個被接受的客戶連接，創建一個已連接套接口，當客戶連接完成時，關閉該已連接套接口。

註意到intro/daytimetcpsrv.c中，後兩個參數傳的都是空指針，這是因為我們不關註客戶的身份，無需知道客戶的協議地址。

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

稍作修改，不再傳入空指針，見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進程：

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

編譯運行新的服務端程序：

$ make daytimetcpsrv1.c daytimetcpsrv1
$ ./daytimetcpsrv1

重復執行客戶端程序，發幾個請求：

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

查看服務端打印：

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

註意到，由於客戶端程序沒有調用bind函數，內核為它的協議地址選擇了源ip作為IP地址，臨時端口號也發生了變化。

fork和exec函數

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);/* 返回：在子進程中為0，在父進程中為子進程ID，-1——出錯 */

fork函數調用一次，卻返回兩次。

1. 在調用它的進程（即父進程），它返回一次，返回值是派生出來的子進程的進程ID。 父進程可能有很多子進程，必須通過返回值跟蹤記錄子進程ID。
2. 在子進程，它還返回一次，返回值為0。 子進程只有一個父進程，總可以通過getppid來得到父進程的ID

通過返回值可以判斷當前進程是子進程還是父進程。

父進程在調用fork之前打開的所有描述字在函數fork返回後都是共享的。網絡服務器會利用這一特性：

1. 父進程調用accept。
2. 父進程調用fork，已連接套接口就在父進程與子進程間共享。（一般來說就是子進程讀、寫已連接套接口，而父進程關閉已連接套接口）。

fork有兩個典型應用：

1. 一個進程為自己派生一個拷貝，並發執行任務，這也是典型的並發網絡服務器模型。
2. 一個進程想執行其他的程序，於是調用fork生成一個拷貝，利用子進程調用exec來執行新的程序。典型應用是shell。

以文件形式存儲在硬盤上的可執行程序若要被執行，需要由一個現有進程調用exec函數。我們將調用exec的進程稱為調用進程，新程序的進程ID並不改變，仍處於當前進程。

小結

客戶和服務器，從調用socket開始，返回一個套接口描述字。客戶調用connect，服務器調用bind、listen、accept。最後套接口由close關閉。

多數TCP服務器是調用fork來實現並發處理多客戶請求的。多數UDP服務器則是叠代的。

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