Linux的SOCKET程式設計詳解

1. 網路中程序之間如何通訊

進 程通訊的概念最初來源於單機系統。由於每個程序都在自己的地址範圍內執行，為保證兩個相互通訊的進

程之間既互不干擾又協調一致工作，作業系統為程序通訊提供了相應設施，如

UNIX BSD有：管道（pipe）、命名管道（named pipe）軟中斷訊號（signal）

UNIX system V有：訊息（message）、共享儲存區（shared memory）和訊號量（semaphore)等.

他們都僅限於用在本機程序之間通訊。網間程序通訊要解決的是不同主機程序間的相互通訊問題（可把同機程序通訊看作是其中的特例）。為此，首先要解決的是網間進

其實TCP/IP協議族已經幫我們解決了這個問題，網路層的“ip地址”可以唯一標識網路中的主機，而傳輸層的“協議+埠”可以唯一標識主機中的應用程式（程序）。這樣利用三元組（ip地址，協議，埠）就可以標識網路的程序了，網路中的程序通訊就可以利用這個標誌與其它程序進行互動。

使用TCP/IP協議的應用程式通常採用應用程式設計介面：UNIX  BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網路程序之間的通訊。就目前而言，幾乎所有的應用程式都是採用socket，而現在又是網路時代，網路中程序通訊是無處不在，這就是我為什麼說“一切皆socket”。

2. 什麼是TCP/IP、UDP

     TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即傳輸控制協議/網間協議，是一個工業標準的協議集，它是為廣域網（WANs）設計的。

TCP/IP協議存在於OS中，網路服務通過OS提供，

    UDP（User Data Protocol，使用者資料報協議）是與TCP相對應的協議。它是屬於TCP/IP協議族中的一種。如圖：

      TCP/IP協議族包括運輸層、網路層、鏈路層，而socket所在位置如圖，Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟體抽象層。

3. Socket是什麼

1、 socket套接字：

     socket起源於Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆檔案”，都可以用“開啟open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。Socket就是該模式的一個實現，        socket即是一種特殊的檔案，一些socket函式就是對其進行的操作（讀/寫IO、開啟、關閉）.
     說白了Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟體抽象層，它是一組介面。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket介面後面，對使用者來說，一組簡單的介面就是全部，讓Socket去組織資料，以符合指定的協議。

       注意：其實socket也沒有層的概念，它只是一個facade設計模式的應用，讓程式設計變的更簡單。是一個軟體抽象層。在網路程式設計中，我們大量用的都是通過socket實現的。

2、套接字描述符（檔案描述符）

      其實就是一個整數，我們最熟悉的控制代碼是0、1、2三個，0是標準輸入，1是標準輸出，2是標準錯誤輸出。0、1、2是整數表示的，對應的FILE *結構的表示就是stdin、stdout、stderr

套接字API最初是作為UNIX作業系統的一部分而開發的，所以套接字API與系統的其他I/O裝置整合在一起。特別是，當應用程式要為因特網通訊而建立一個套接字（socket）時，作業系統就返回一個小整數作為描述符（descriptor）來標識這個套接字。然後，應用程式以該描述符作為傳遞引數，通過呼叫函式來完成某種操作（例如通過網路傳送資料或接收輸入的資料）。

在許多作業系統中，套接字描述符和其他I/O描述符是整合在一起的，所以應用程式可以對檔案進行套接字I/O或I/O讀/寫操作。

當應用程式要建立一個套接字時，作業系統就返回一個小整數作為描述符，應用程式則使用這個描述符來引用該套接字需要I/O請求的應用程式請求作業系統開啟一個檔案。作業系統就建立一個檔案描述符提供給應用程式訪問檔案。從應用程式的角度看，檔案描述符是一個整數，應用程式可以用它來讀寫檔案。下圖顯示，作業系統如何把檔案描述符實現為一個指標陣列，這些指標指向內部資料結構。

     對於每個程式系統都有一張單獨的表。精確地講，系統為每個執行的程序維護一張單獨的檔案描述符表。當程序開啟一個檔案時，系統把一個指向此檔案內部資料結構的指標寫入檔案描述符表，並把該表的索引值返回給呼叫者 。應用程式只需記住這個描述符，並在以後操作該檔案時使用它。作業系統把該描述符作為索引訪問程序描述符表，通過指標找到儲存該檔案所有的資訊的資料結構。

      針對套接字的系統資料結構：

   1）、套接字API裡有個函式socket，它就是用來建立一個套接字。套接字設計的總體思路是，單個系統呼叫就可以建立任何套接字，因為套接字是相當籠統的。一旦套接字建立後，應用程式還需要呼叫其他函式來指定具體細節。例如呼叫socket將建立一個新的描述符條目：

   2）、雖然套接字的內部資料結構包含很多欄位，但是系統建立套接字後，大多數字欄位沒有填寫。應用程式建立套接字後在該套接字可以使用之前，必須呼叫其他的過程來填充這些欄位。

3、檔案描述符和檔案指標的區別：

檔案描述符：在linux系統中開啟檔案就會獲得檔案描述符，它是個很小的正整數。每個程序在PCB（Process Control Block）中儲存著一份檔案描述符表，檔案描述符就是這個表的索引，每個表項都有一個指向已開啟檔案的指標。

檔案指標：C語言中使用檔案指標做為I/O的控制代碼。檔案指標指向程序使用者區中的一個被稱為FILE結構的資料結構。FILE結構包括一個緩衝區和一個檔案描述符。而檔案描述符是檔案描述符表的一個索引，因此從某種意義上說檔案指標就是控制代碼的控制代碼（在Windows系統上，檔案描述符被稱作檔案控制代碼）。

4. 基本的SOCKET介面函式

    伺服器端先初始化Socket，然後與埠繫結(bind)，對埠進行監聽(listen)，呼叫accept阻塞，等待客戶端連線。在這時如果有個客戶端初始化一個Socket，然後連線伺服器(connect)，如果連線成功，這時客戶端與伺服器端的連線就建立了。客戶端傳送資料請求，伺服器端接收請求並處理請求，然後把迴應資料傳送給客戶端，客戶端讀取資料，最後關閉連線，一次互動結束。

這些介面的實現都是核心來完成。具體如何實現，可以看看linux的核心

4.1、socket()函式

 int  socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回的是一個sockfd。sockfd是描述符。

  socket函式對應於普通檔案的開啟操作。普通檔案的開啟操作返回一個檔案描述字，而socket()用於建立一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟檔案描述字一樣，後續的操作都有用到它，把它作為引數，通過它來進行一些讀寫操作。

      給 fopen 函式傳入不同引數值可以開啟不同的檔案。建立socket的時候，也可以指定不同的引數建立不同的socket描述符，socket函式的三個引數分別為：

• protofamily：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址型別，在通訊中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與埠號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
• type：指定socket型別。常用的socket型別有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的型別有哪些？）。
• protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（這個協議我將會單獨開篇討論！）。

注意：並不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type型別對應的預設協議。

當我們呼叫socket建立一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須呼叫bind()函式，否則就當呼叫connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個埠。

4.2、bind()函式

正如上面所說bind()函式把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和埠號組合賦給socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函式的三個引數分別為：

• sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函式建立了，唯一標識一個socket。bind()函式就是將給這個描述字繫結一個名字。
• addr：一個const struct sockaddr *指標，指向要繫結給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址建立socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是：
  

  struct sockaddr_in {
      sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
      in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
      struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
  };
  /* Internet address. */
  struct in_addr {
      uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
  };

  ipv6對應的是： 

  struct sockaddr_in6 { 
      sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
      in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
      uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
      struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
      uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
  };
  struct in6_addr { 
      unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
  };

  Unix域對應的是： 

  #define UNIX_PATH_MAX    108
  struct sockaddr_un { 
      sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
      char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
  };

• addrlen：對應的是地址的長度。

通常伺服器在啟動的時候都會繫結一個眾所周知的地址（如ip地址+埠號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連伺服器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個埠號和自身的ip地址組合。這就是為什麼通常伺服器端在listen之前會呼叫bind()，而客戶端就不會呼叫，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網路位元組序與主機位元組序

主機位元組序就是我們平常說的大端和小端模式。不同的CPU有不同的位元組序型別，這些位元組序是指整數在記憶體中儲存的順序，這個叫做主機序。

1. Little-Endian就是低位位元組排放在記憶體的低地址端，高位位元組排放在記憶體的高地址端。
2. Big-Endian就是高位位元組排放在記憶體的低地址端，低位位元組排放在記憶體的高地址端。

網路位元組序：4個位元組的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端位元組序。由於TCP/IP首部中所有的二進位制整數在網路中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網路位元組序。位元組序，顧名思義位元組的順序，就是大於一個位元組型別的資料在記憶體中的存放順序，一個位元組的資料沒有順序的問題了。所以：在將一個地址繫結到socket的時候，請先將主機位元組序轉換成為網路位元組序，而不要假定主機位元組序跟網路位元組序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發過血案！公司專案程式碼中由於存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機位元組序不要做任何假定，務必將其轉化為網路位元組序再賦給socket。

4.3、listen()、connect()函式

如果作為一個伺服器，在呼叫socket()、bind()之後就會呼叫listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時呼叫connect()發出連線請求，伺服器端就會接收到這個請求。

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函式的第一個引數即為要監聽的socket描述字，第二個引數為相應socket可以排隊的最大連線個數。socket()函式建立的socket預設是一個主動型別的，listen函式將socket變為被動型別的，等待客戶的連線請求。

connect函式的第一個引數即為客戶端的socket描述字，第二引數為伺服器的socket地址，第三個引數為socket地址的長度。客戶端通過呼叫connect函式來建立與TCP伺服器的連線。

4.4、accept()函式

TCP伺服器端依次呼叫socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次呼叫socket()、connect()之後就向TCP伺服器傳送了一個連線請求。TCP伺服器監聽到這個請求之後，就會呼叫accept()函式取接收請求，這樣連線就建立好了。之後就可以開始網路I/O操作了，即類同於普通檔案的讀寫I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回連線connect_fd

引數sockfd
    引數sockfd就是上面解釋中的監聽套接字，這個套接字用來監聽一個埠，當有一個客戶與伺服器連線時，它使用這個一個埠號，
    而此時這個埠號正與這個套接字關聯。當然客戶不知道套接字這些細節，它只知道一個地址和一個埠號。
引數addr
    這是一個結果引數，它用來接受一個返回值，這返回值指定客戶端的地址，當然這個地址是通過某個地址結構來描述的，
    使用者應該知道這一個什麼樣的地址結構。如果對客戶的地址不感興趣，那麼可以把這個值設定為NULL。
引數len
    如同大家所認為的，它也是結果的引數，用來接受上述addr的結構的大小的，它指明addr結構所佔有的位元組個數。同樣的，它也可以被設定為NULL。
如果accept成功返回，則伺服器與客戶已經正確建立連線了，此時伺服器通過accept返回的套接字來完成與客戶的通訊。

注意：

      accept預設會阻塞程序，直到有一個客戶連線建立後返回，它返回的是一個新可用的套接字，這個套接字是連線套接字。

此時我們需要區分兩種套接字，

       監聽套接字: 監聽套接字正如accept的引數sockfd，它是監聽套接字，在呼叫listen函式之後，是伺服器開始呼叫socket()函式生成的，稱為監聽socket描述字(監聽套接字)

       連線套接字：一個套接字會從主動連線的套接字變身為一個監聽套接字；而accept函式返回的是已連線socket描述字(一個連線套接字)，它代表著一個網路已經存在的點點連線。

        一個伺服器通常通常僅僅只建立一個監聽socket描述字，它在該伺服器的生命週期內一直存在。核心為每個由伺服器程序接受的客戶連線建立了一個已連線socket描述字，當伺服器完成了對某個客戶的服務，相應的已連線socket描述字就被關閉。

        自然要問的是：為什麼要有兩種套接字？原因很簡單，如果使用一個描述字的話，那麼它的功能太多，使得使用很不直觀，同時在核心確實產生了一個這樣的新的描述字。

連線套接字socketfd_new 並沒有佔用新的埠與客戶端通訊，依然使用的是與監聽套接字socketfd一樣的埠號

4.5、read()、write()等函式

萬事具備只欠東風，至此伺服器與客戶已經建立好連線了。可以呼叫網路I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同程序之間的通訊！網路I/O操作有下面幾組：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函式，這兩個函式是最通用的I/O函式，實際上可以把上面的其它函式都替換成這兩個函式。它們的宣告如下：

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函式是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的位元組數，如果返回的值是0表示已經讀到檔案的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網路連接出了問題。

write函式將buf中的nbytes位元組內容寫入檔案描述符fd.成功時返回寫的位元組數。失敗時返回-1，並設定errno變數。 在網路程式中，當我們向套接字檔案描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是全部的資料。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤型別來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示網路連接出現了問題(對方已經關閉了連線)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了，具體參見man文件或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

4.6、close()函式

在伺服器與客戶端建立連線之後，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完開啟的檔案要呼叫fclose關閉開啟的檔案。

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

close一個TCP socket的預設行為時把該socket標記為以關閉，然後立即返回到呼叫程序。該描述字不能再由呼叫程序使用，也就是說不能再作為read或write的第一個引數。

注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向伺服器傳送終止連線請求。

5. Socket中TCP的建立（三次握手）

第一次握手：建立連線時，客戶端傳送syn包(syn=j)到伺服器，並進入SYN_SEND狀態，等待伺服器確認；SYN：同步序列編號(Synchronize Sequence Numbers)。

第二次握手：伺服器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時自己也傳送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時伺服器進入SYN_RECV狀態；
第三次握手：客戶端收到伺服器的SYN+ACK包，向伺服器傳送確認包ACK(ack=k+1)，此包傳送完畢，客戶端和伺服器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手。
一個完整的三次握手也就是： 請求---應答---再次確認。

• 114:12:45.104687 時間帶有精確到微妙
• localhost.39870 > localhost.9502 表示通訊的流向，39870是客戶端，9502是伺服器端
• [S] 表示這是一個SYN請求
• [S.] 表示這是一個SYN+ACK確認包: 
  
• [.] 表示這是一個ACT確認包， (client)SYN->(server)SYN->(client)ACT 就是3次握手過程
• [P] 表示這個是一個數據推送，可以是從伺服器端向客戶端推送，也可以從客戶端向伺服器端推
• [F] 表示這是一個FIN包，是關閉連線操作，client/server都有可能發起
• [R] 表示這是一個RST包，與F包作用相同，但RST表示連線關閉時，仍然有資料未被處理。可以理解為是強制切斷連線
• win 4099 是指滑動視窗大小
• length 18指資料包的大小

6. TCP連線的終止（四次握手釋放）

由於TCP連線是全雙工的，因此每個方向都必須單獨進行關閉。這個原則是當一方完成它的資料傳送任務後就能傳送一個FIN來終止這個方向的連線。收到一個 FIN只意味著這一方向上沒有資料流動，一個TCP連線在收到一個FIN後仍能傳送資料。首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另一方執行被動關閉。

（1）客戶端A傳送一個FIN，用來關閉客戶A到伺服器B的資料傳送（報文段4）。

（2）伺服器B收到這個FIN，它發回一個ACK，確認序號為收到的序號加1（報文段5）。和SYN一樣，一個FIN將佔用一個序號。

（3）伺服器B關閉與客戶端A的連線，傳送一個FIN給客戶端A（報文段6）。

（4）客戶端A發回ACK報文確認，並將確認序號設定為收到序號加1（報文段7）。

過程如下：

• 某個應用程序首先呼叫close主動關閉連線，這時TCP傳送一個FIN M；
• 另一端接收到FIN M之後，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也作為檔案結束符傳遞給應用程序，因為FIN的接收意味著應用程序在相應的連線上再也接收不到額外資料；
• 一段時間之後，接收到檔案結束符的應用程序呼叫close關閉它的socket。這導致它的TCP也傳送一個FIN N；
• 接收到這個FIN的源傳送端TCP對它進行確認。

這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。

1．為什麼建立連線協議是三次握手，而關閉連線卻是四次握手呢？

這是因為服務端的LISTEN狀態下的SOCKET當收到SYN報文的建連請求後，它可以把ACK和SYN（ACK起應答作用，而SYN起同步作用）放在一個報文裡來發送。但關閉連線時，當收到對方的FIN報文通知時，它僅僅表示對方沒有資料傳送給你了；但未必你所有的資料都全部發送給對方了，所以你可以未必會馬上會關閉SOCKET,也即你可能還需要傳送一些資料給對方之後，再發送FIN報文給對方來表示你同意現在可以關閉連線了，所以它這裡的ACK報文和FIN報文多數情況下都是分開發送的。

2．為什麼TIME_WAIT狀態還需要等2MSL後才能返回到CLOSED狀態？

這是因為雖然雙方都同意關閉連線了，而且握手的4個報文也都協調和傳送完畢，按理可以直接回到CLOSED狀態（就好比從SYN_SEND狀態到ESTABLISH狀態那樣）；但是因為我們必須要假想網路是不可靠的，你無法保證你最後傳送的ACK報文會一定被對方收到，因此對方處於LAST_ACK狀態下的SOCKET可能會因為超時未收到ACK報文，而重發FIN報文，所以這個TIME_WAIT狀態的作用就是用來重發可能丟失的ACK報文。

7. Socket程式設計例項

伺服器端：一直監聽本機的8000號埠，如果收到連線請求，將接收請求並接收客戶端發來的訊息，並向客戶端返回訊息。

/* File Name: server.c */  
#include<stdio.h>  
#include<stdlib.h>  
#include<string.h>  
#include<errno.h>  
#include<sys/types.h>  
#include<sys/socket.h>  
#include<netinet/in.h>  
#define DEFAULT_PORT 8000  
#define MAXLINE 4096  
int main(int argc, char** argv)  
{  
    int    socket_fd, connect_fd;  
    struct sockaddr_in     servaddr;  
    char    buff[4096];  
    int     n;  
    //初始化Socket  
    if( (socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){  
    printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
    exit(0);  
    }  
    //初始化  
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));  
    servaddr.sin_family = AF_INET;  
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//IP地址設定成INADDR_ANY,讓系統自動獲取本機的IP地址。  
    servaddr.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);//設定的埠為DEFAULT_PORT  
  
    //將本地地址繫結到所建立的套接字上  
    if( bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){  
    printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
    exit(0);  
    }  
    //開始監聽是否有客戶端連線  
    if( listen(socket_fd, 10) == -1){  
    printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
    exit(0);  
    }  
    printf("======waiting for client's request======\n");  
    while(1){  
//阻塞直到有客戶端連線，不然多浪費CPU