Unix网络编程之基础函数(一)

TCP客户端与服务器之间交互过程在程序实现上的体现如下图所示,注意思考这个过程中TCP状态的变化(参考TCP状态转换图)：

服务器首先调用socket函数创建socket，通过bind函数将socket与主机地址及端口绑定，然后调用listen函数对主机端口进行监听，然后调用accept函数接收客户端发来的请求，若没有客户端请求，服务端将阻塞在此。客户端建立socket，然后调用connect函数与服务器三次握手建立连接，发送请求给服务器，服务器接收到请求之后对其进行处理并将处理结果返回给客户端，这个过程一直持续下去，一直到客户端与服务器断开连接，服务器接下来将关闭连接或继续等待下一个客户端的连接。

socket函数

为了执行网络IO,无论是客户端还是服务器，一个进程首先要做的事情就是调用socket函数创建一个socket，并指定socket的协议族，类型以及协议。

函数原型

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#include <sys/socket.h>
int socket(int family, int type, int protocol);

参数说明

  • family : 协议族，对应于sockaddr_in中的sin_family，IPv4协议时值为AF_INET.
  • type : 套接字类型，套接字类型有多种，TCP一般使用SOCK_STREAM,UDP使用SOCK_DGRAM
    • SOCK_STREAM : 字节流套接字，是一种有序可靠双向的面向连接字节流的套接字
    • SOCK_DGRAM : 数据报套接字,是一种长度固定,无连接的不可靠的套接字。
    • SOCK_SEQPACKET : 有序分组套接字，是一种长度固定，有序，可靠的面向连接的有序分组套接字。
    • SOCK_RAW : 原始套接字
  • protocal : 链接层传输协议，包括TCP,UDP,SCTP传输协议
    • IPPROTO_TCP : TCP传输协议
    • IPPROTO_UDP : UDP传输协议
    • IPPROTO_SCTP : SCTP传输协议

一般情况下，我们在使用socket函数的时候，可以只指定前两个参数，将第三个参数设为0，这个时候socket会将protocol设置为默认值，如当family=AF_INET,type=SOCK_STREAM时，这个时候默认的协议为IPv4 TCP协议。但是，注意有些组合是不可用的，组合如下：

AF_TNET AF_INET6 AF_LOCAL AF_ROUTE AF_KEY
SOCK_STREAM TCP/SCTP TCP/SCTP 是
SOCK_DGRAM UDP UDP 是
SOCK_SEQPACKET SCTP SCTP 是
SOCK_RAW IPv4 IPv6 是 是

返回值说明

socket函数与open函数类似，若成功，返回一个较小的非负整数,称为套接字描述符，若失败返回-1;

connect函数

TCP客户端通过connect函数来与服务器建立连接,注意客户在调用connect函数之前不必调用bind函数将sockfd与本机的IP端口绑定，因为如果需要的话，内核会确定源IP地址，并选择一个可用的临时端口作为端口号。

客户端调用connect函数的时候会激发三次握手连接建立。而且只在连接建立成功或失败时返回，否则会一直阻塞在connect函数处。

connect函数出错的情况包括以下几种：

  • 若TCP在调用connect之后没有接收到syn分节，则返回ETIMEOUT错误。这种情况通常发生在目的主机不存在情况下。这时客户端会隔一段时间发送一次请求，若等待时间超过一定时间(这个过程客户端被阻塞)，返回ETIMEOUT错误。
  • 若T客户端收到RST分节(复位)，则返回ECONNREFUSED错误，这种情况发生在目的主机存在，但是主机上没有进程监听指定端口。
  • 若客户端发送的分节在某个路由器上返回destination unreachable，此时返回EHOSTUNREACH，这种情况发生在目的主机和端口存在，但是中间路由出现问题。

从TCP状态图可以看出，connect函数可以使得socket状态从closed转移到SYN_SENT状态,若成功，转换到ESTABLISHED状态。若套接字失败不可用，必须关闭。然后重新调用socket函数。

函数原型

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int connect(int sockfd, const struct sockaddr* servaddr, socklen_t addrlen);

参数说明

  • sockfd : 此参数为调用sock函数的返回值，即套接字描述符
  • servaddr : 指向服务器套接字地址结构的指针,套接字地址结构中必须含有Ip地址以及端口。
  • addrlen : 上述套接字的长度。

返回值说明

连接失败，返回-1，并将错误码写入errno中;
若连接成功，则返回0.

bind函数

在建立socket之后，我们通常会将socket与一个套接字绑定，即将一个协议地址赋予给socket，bind函数的作用就是将socket与socket地址绑定。socket协议地址是32位的IPv4地址或128位的IPv6和16位的TCP或UDP端口的组合。

一般情况下，客户端一般不调用bind函数进行绑定socket地址(可调用),当其调用connect函数的时候，内核会获取主机的IP作为源IP，并选择一个可用的端口作为源端口，当然，客户端可以调用bind为socket指定源端口和IP；服务端一般要调用bind端口，为socket指定监听的端口和IP，因为一般情况下服务器是对外提供服务的，如http的80端口,https的443端口等等。

注意：socket绑定的端口必须是进程所在主机上的网络接口之一，不能是其他主机的IP，否则会出现“Cannot assign requested address”,也不能绑定已经在使用的端口。

函数原型

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#include <sys/socket.h>
//函数参数与connect函数中的参数及意义相同。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* servaddr, socklen_t addrlen);

bind函数可以只绑定IP，只绑定端口，也可以两者都绑定，也可以两者都不绑定，具体的制定规则如下：

IP地址 端口 说明
统配地址(INAAR_ANY) 0 内核选择IP地址和端口
统配地址(INADDR_ANY) 非0 内核选择IP地址，进程指定地址
本地IP地址 0 进程指定IP,内核选择端口
本地IP地址 0 进程指定IP和端口

一般情况下，INADDR_ANY的值为0,将其转化为s_addr的时候使用htonl函数(将主机字节序转化为网络字节序)，若是IPv6则不能使用htonl，因为IPv6的地址是一个128位的地址。需要使用另一种方式，具体参考《Unix网络编程卷一第三版》83页。

若设置为内核选定端口，则必须调用getsockname函数获取系统选定的端口。
从bind函数返回的一个常见的错误是:EADDRINUSE : address already in use;

listen函数

函数原型

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#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

listen函数仅由TCP服务器调用,一般在调用socket和bind函数之后调用 .当进程调用socket函数创建套接字之后，这个套接字被默认假设为主动套接字，(主动套接字的意思是将会调用connect去和TCP服务器建立连接)。listen函数主要有以下两个作用：

  • 将一个未连接的套接字转化为主动套接字，指示内核应该接收指向该套接字的连接请求。调用listen成功之后TCP从CLOSED状态转变为LISTEN状态。
  • 指定内核应该为相应套接字排队的最大连接数。即backlog指定，下面两个队列的和不能超过backlog.若查过backlog还有连接请求，服务器将直接发送RST复位拒绝连接。一般不要吧backlog值设为0，因为不同系统实现对0的解释不同;一般讲backlog的值设为5,因为这是4.2BSD支持的最大值。

内核为任何一个给定的监听套接字维护两个队列:

  • 未完成连接队列 ：当服务器收到客户端发来的请求之后，数据还没有处理完，此时会进入SYN_RECV状态，这个时候将进入未完成连接队列，也叫SYN队列
  • 已完成连接队列:服务器与客户端之间建立连接之后，进入ESTABLISHED状态，此时进入已完成连接队列，也叫accept队列。

accept函数

accept函数的作用是从已经完成连接的队列头返回下一个已经完成的连接，如果已完成的连接为空，则进程进入睡眠状态(阻塞)。

函数原型

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#include <sys/socket.h>
int accept(int servsockfd, struct sockaddr* cliaddr, socklen_t* addr_len);

参数说明

  • servsockfd : 监听的套接字描述符
  • cliaddr : 客户端的sockaddr，如果对客户端的来源不感兴趣，可以将其设置为NULL;
  • addr_len : aliaddr的字节数。即客户端sockaddr的地址长度。

返回值说明

若出错返回-1;如果accept成功，返回一个新的socket描述符。其代表与所返回的客户端之间的TCP连接，它是一个连接套接字,之后服务端接收和发送数据都将使用这个描述符进行操作.

Invalid argument常见原因

在accept的时候,我们常会遇到Invalid argument的错误，出现这个错误的原因有很多，主要是在accept之前的准备工作出了问题。

  • socket创建不成功，在socket函数后检查一下errno值
  • 绑定socket地址不成功，检查一下返回值，同时检查一下errno
  • 没有listen，或者listen出问题。

以上三步有一步出问题或者漏掉一步都有可能出现Invalid　argument错误。

close函数

我们知道，关闭文件描述符我可使用close函数，同样的close函数也能用来关闭socket文件描述符。

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

通常情况下,close一个TCP套接字只是将该socket描述符标记为不可用，这个时候其将不能作为read和write的第一个参数进行数据的发送和接收,然而TCP尝试发送已经排队等待的所有需要发送到对端的数据，发送完毕之后将执行正常的TCP连接终止流程关闭TCP连接.