linux scoket 詳解

原文件地址：http://blog.csdn.net/u010236550/article/details/19677019#t13

聲明：本文參考主要有linux網絡編程和網絡文章（吳秦）

那什麼是socket？socket的類型有哪些？還有socket的基本函數，下面我將一一介紹！

Socket接口是TCP/IP網絡的API，Socket接口定義了許多函數或例程，程序員可以用它們來開發TCP/IP網絡上的應用程序。要學Internet上的TCP/IP網絡編程，必須理解Socket接口

1、網絡中進程之間如何通信？

本地的進程間通信（IPC）有很多種方式，但可以總結爲下面4類：
1.1 消息傳遞（管道、FIFO、消息隊列）
1.2 同步（互斥量、條件變量、讀寫鎖、文件和寫記錄鎖、信號量）
1.3 共享內存（匿名的和具名的）
1.4 遠程過程調用（Solaris門和Sun RPC）
2、Socket是什麼？

2.1 Socket就是該模式的一個實現，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關閉）
3、socket的基本操作
- 3.1、socket()函數
```
int socket(int domain, int type, int protocol);
```
  socket函數對應於普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個文件描述字，而socket()用於創建一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣，後續的操作都有用到它，把它作爲參數，通過它來進行一些讀寫操作。
  
  正如可以給fopen的傳入不同參數值，以打開不同的文件。創建socket的時候，也可以指定不同的參數創建不同的socket描述符，socket函數的三個參數分別爲：
  - domain：即協議域，又稱爲協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型，在通信中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作爲地址。
  - type：指定socket類型。常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的類型有哪些？）。
  - 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爲0時，會自動選擇type類型對應的默認協議。
  
  當我們調用socket創建一個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，就必須調用bind()函數，否則就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。
  
  3.2、bind()函數
  
  正如上面所說bind()函數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地址和端口號組合賦給socket。
```
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
```
  函數的三個參數分別爲：
  - sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數創建了，唯一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。
  - addr：一個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址創建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。
  通常服務器在啓動的時候都會綁定一個衆所周知的地址（如ip地址+端口號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是爲什麼通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。
  
  網絡字節序與主機字節序
  
  主機字節序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節序類型，這些字節序是指整數在內存中保存的順序，這個叫做主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：
  
  　　a) Little-Endian就是低位字節排放在內存的低地址端，高位字節排放在內存的高地址端。
  
  　　b) Big-Endian就是高位字節排放在內存的低地址端，低位字節排放在內存的高地址端。
  
  網絡字節序：4個字節的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字節序。由於TCP/IP首部中所有的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網絡字節序。字節序，顧名思義字節的順序，就是大於一個字節類型的數據在內存中的存放順序，一個字節的數據沒有順序的問題了。
  
  所以：在將一個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成爲網絡字節序，而不要假定主機字節序跟網絡字節序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發過血案！公司項目代碼中由於存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機字節序不要做任何假定，務必將其轉化爲網絡字節序再賦給socket。
  
  3.3、listen()、connect()函數
  
  如果作爲一個服務器，在調用socket()、bind()之後就會調用listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時調用connect()發出連接請求，服務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函數的第一個參數即爲要監聽的socket描述字，第二個參數爲相應socket可以排隊的最大連接個數。socket()函數創建的socket默認是一個主動類型的，listen函數將socket變爲被動類型的，等待客戶的連接請求。
  
  connect函數的第一個參數即爲客戶端的socket描述字，第二參數爲服務器的socket地址，第三個參數爲socket地址的長度。客戶端通過調用connect函數來建立與TCP服務器的連接。
  
  3.4、accept()函數
  
  TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之後就想TCP服務器發送了一個連接請求。TCP服務器監聽到這個請求之後，就會調用accept()函數取接收請求，這樣連接就建立好了。之後就可以開始網絡I/O操作了，即類同於普通文件的讀寫I/O操作。
```
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
```
  accept函數的第一個參數爲服務器的socket描述字，第二個參數爲指向struct sockaddr *的指針，用於返回客戶端的協議地址，第三個參數爲協議地址的長度。如果accpet成功，那麼其返回值是由內核自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連接。
  
  注意：accept的第一個參數爲服務器的socket描述字，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱爲監聽socket描述字；而accept函數返回的是已連接的socket描述字。一個服務器通常通常僅僅只創建一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命週期內一直存在。內核爲每個由服務器進程接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描述字就被關閉。
  
  3.5、read()、write()函數等
  
  萬事具備只欠東風，至此服務器與客戶已經建立好連接了。可以調用網絡I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同進程之間的通信！網絡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()函數，這兩個函數是最通用的I/O函數，實際上可以把上面的其它函數都替換成這兩個函數。它們的聲明如下：
  [cpp] view plain copy print ?
  1. #include <unistd.h>
  3. ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  4. ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  6. #include <sys/types.h>
  7. #include <sys/socket.h>
  9. ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
  10. ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
  12. ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
  13. const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
  14. ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
  15. struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
  17. ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
  18. ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
  read函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的字節數，如果返回的值是0表示已經讀到文件的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤爲EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網絡連接出了問題。
  
  write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回-1，並設置errno變量。在網絡程序中，當我們向套接字文件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數據。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤類型來處理。如果錯誤爲EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果爲EPIPE表示網絡連接出現了問題(對方已經關閉了連接)。
  
  其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了，具體參見man文檔或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。
  
  3.6、close()函數
  在服務器與客戶端建立連接之後，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，好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。
```
#include <unistd.h>
int close(int fd);
```
  close一個TCP socket的缺省行爲時把該socket標記爲以關閉，然後立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作爲read或write的第一個參數。
  
  注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數爲0的時候，纔會觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接請求。
4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解
我們知道tcp建立連接要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下：
- 客戶端向服務器發送一個SYN J
- 服務器向客戶端響應一個SYN K，並對SYN J進行確認ACK J+1
- 客戶端再想服務器發一個確認ACK K+1
只有就完了三次握手，但是這個三次握手發生在socket的那幾個函數中呢？請看下圖：

圖1、socket中發送的TCP三次握手

從圖中可以看出，當客戶端調用connect時，觸發了連接請求，向服務器發送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態；服務器監聽到連接請求，即收到SYN J包，調用accept函數接收請求向客戶端發送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到服務器的SYN K ，ACK J+1之後，這時connect返回，並對SYN K進行確認；服務器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，連接建立。
5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解
上面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程，及其涉及的socket函數。現在我們介紹socket中的四次握手釋放連接的過程，請看下圖：

圖2、socket中發送的TCP四次握手

圖示過程如下：
- 某個應用進程首先調用close主動關閉連接，這時TCP發送一個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。它的接收也作爲文件結束符傳遞給應用進程，因爲FIN的接收意味着應用進程在相應的連接上再也接收不到額外數據；
- 一段時間之後，接收到文件結束符的應用進程調用close關閉它的socket。這導致它的TCP也發送一個FIN N；
- 接收到這個FIN的源發送端TCP對它進行確認。
這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。
6、一個例子（實踐一下）

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select Epoll poll 比較（現在的發展趨勢參考！）

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2、Socket是什麼？

2.1 Socket就是該模式的一個實現，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關閉）

3、socket的基本操作

3.1、socket()函數

網絡字節序與主機字節序

4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解

5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解

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