学步园

从本章开始客户/服务器之间通信程序的编写

一、基本的socket函数

执行网络I/O,进程必须调用socket函数，指定期望的通信协议类型（TCP、UDP、UNIX域讨套接字等）。

#include <sys/socket.h>
int socket(int family,int type,intprotocol);
//若成功则为非负的描述符，失败则为-1

family参数指定协议簇，该参数也称为协议域。Type参数指明套接字类型。Protocol参数为某个协议类型参数，后者设为0.以选择所给定family和type组合的系统默认值。

从这里开始，整个客户/服务器程序的编写流程均为这个

Socket函数中family常值

Socket函数综合功能type中的常值

Socket函数AF_INET或者AF_INET6的protocol常值

Socket函数在成功时返回一个小的非负整数值，它与问价描述符类似，称为套接字描述符。为了得到这个套接字描述符，我们只是指定了协议族（Ipv4、Ipv6或Unix）和套接字类型（字节流、数据报或原始套接字）。并没有指定本地协议地址或远程协议地址。

对比AF_XXX和PF_XXX

AF_前缀标识地址簇，PF_前缀表示协议簇。这两者的区别不是很重要，在很多套接字上的编程都是使用AF_，只要直到这个类型就可以。

二、connect函数

  TCP客户用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

#include <sys/socket.h>

int connect(int sockfd,const structsockaddr  * servaddr,socklen_t addrlen); //若成功则为0，失败则为-1

      sockfd是由socket函数返回的套接字描述符，第二个、第三个参数分别是一个指向套接字地址结构的指针和该结构的大小，套接字地址结构必须含有服务器的IP地址和端口号。客户在调用函数connect前不必非得调用bind函数，因为如果需要的话，内核会确定源IP地址，并选择一个临时端口作为源端口。（因为客户端使用此函数，客户端绑定也没什么用途）

     如果TCP套接字，调用connect函数将激发TCP的三路握手过程，而且仅在链接建立成功或出错时才返回，其中出错返回可能有以下几种情况。

        若TCP客户没有收到SYN分节的响应，则返回ETIMEDOUT错误。距离来说，调用connect函数时，内核发送一个SYN，若无响应则等待6s后再发送一个，若扔无响应则等待24s再发送一个，若总共等了75s后仍无收到响应则返回本错误。

        若对客户的SYN响应为RST（表示复位），则表明该服务器主机在我们指定的端口上没有进程在等待与之连接（例如服务器进程也许没在运行）。这是一种硬错误，客户一接收到RST就马上返回ECONNREFUSED错误。

        RST是TCP在发生错误时发送的一种TCP分节。产生RST的三个条件是，：目的地位某端口的SYN到达，然而该端口上没有正在监听的服务器;TCP想去想一个已有链接；TCP接受到一个根本不存在的链接上的分节。

        若客户发出的SYN在中间的某个路由器上引发了一个“destination unreachable”(目的地不可达)ICMP错误，则认为是一种软错误。客户主机内核保存该消息，并按第一种情况中所述的时间间隔继续发送SYN。若在某个规定的时间后仍未收到响应，则把保存的消息作为RHOSTUNREACH或ENETUNREACH错误返回给进程。

        若connect失败则该套接字不再可用，必须关闭，我们不能对这样的套接字再次调用connect函数，当循环调用函数connect为给定主机尝试各个ip地址直到有一个成功时，在每次connect失败后，都必须close当前的套接字描述符并从新调用socket.

三．bind函数

bind函数把一个本地协议地址赋予一个套接字，对于网际网协议，协议地址是32位的Ipv4地址或者IPV6地址与16位的TCP或UDP端口号的组合。

#include <sys/socket.h>

Int bind(int sockfd,const struct sockaddr*myaddr,socklen_t addrlen);//如成功则为0，失败则为-1

        第二个参数是一个指向特定于协议的地址结构的指针，第三个参数是该地址结构的长度。对于TCP，调用bind函数可以主动一个端口号，或指定一个IP地址，也可以两者都指定，还可以都不指定。

服务器在启动时捆绑他们的周所周知端口，如果一个TCP客户或者服务器未曾调用bind捆绑一个端口，当调用connect或者listen时，内核就要为响应的套接字选择一个临时端口。让内核俩选择临时端口对于TCP客户来说是正常的，除非应用需要一个预留端口，然而对于TCP服务器来说却极为罕见，因为服务器是通过他们的众所周知端口被大家认识的。

进程可以把一个特定的IP地址捆绑到它的套接字上，不过这个IP地址必须属于其所在主机的网络接口之一。对于TCP客户，这就为在套接字上发送的IP数据报指派了源IP地址。对于TCP服务器，这就限定该套接字只接收那些目的地为这个IP地址的客户连接。TCP客户通常不把IP地址捆绑到它的套接字上。当连接套接字时，内核将根据所用外出网络接口来选择源IP地址，二所用外出接口则取决于到达服务器所需的路径、如果TCP服务器没有把IP地址捆绑到它的套接字上，内核就把客户发送的SYN的目的IP地址作为服务器的源IP地址。

如果让内核啦为套接字选择一个临时端口号，函数bind并不返回所选择的值。由于bind函数的第二个参数有const限定词，它无法返回所选之值。为了得到内核所选择的这个临时端口，必须调用函数getsockname来返回协议地址。

进程捆绑非统配IP地址到套接字上的常见例子是在为多个组织童工WEB服务器的主机上。首先，每个组织都得有各自的域名，譬如这样的形式：www.organization.com。其次，每个组织的域名都映射到不同的IP地址，不过通常仍在同一子网上。举例说明，如果子网是192.168.10，那么第一个组织的IP地址可以是192.168.10.128，第二个组织的可以是192.168.10.129，等等。然后把所有这些IP地址都定义成单个网络接口的别名。（有的系统就使用ifconfig命令的alisas选项来定义），这么一来，IP层将接受所有目的地为任何一个别名地址的外来数据报。最后，为灭个祖师启动一个HTTP服务器的副本，每个副本仅仅绑定相应组织的IP地址。

五、listen函数

lsiten函数仅由TCP服务器调用，它做两件事情

1）  当socket函数创建一个套接字时，他被假设为一个中东套接字，也就是说，它是一个将调用connect发起连接的客户套接字。Listen函数把一个未连接的套接字转换成一个被动套接字，指示内核应该接受指向该套接字的链接请求，

#include <sys/socket.h>

lnt listen(int sockfd,int backlog);// 若成功则为0，失败则为-1

应该在调用socket和bind这两个函数之后，并在调用accept函数之前调用。

2）  函数总的第二个参数设置了相应套接字最大连接数

内核为任何一个给定的监听套接字维护两个队列：

为完成链接队列，每个这样的SYN分节对应其中一项，已由某个客户发送并到达服务器，而服务器正在等待完成相应的TCP三路握手，这些套接字处于SYN_RECVD状态

已完成链接队列，每个已完成TCP三路握手过程的客户对应其中一项。这些套接字处于ESTABLISHED状态，也就是数据传送状态。

每当在未完成链接队列中创建一项时，来自监听套接字的参数就复制到即将建立的链接中。链接的创建机制是完全自动的，无需服务器进程查收。下图是这两个队列链接是所交换的分组

        当来自客户的SYN到达时，TCP在未完成链接队列中创建一个新项，然后响应以三路握手的第二个分节：服务器的SYN响应，其中捎带对客户的SYN的ACK。这一项一直保留在未完成链接队列中，直到三路握手的第三个分节（客户对服务器SYN的ACK）到达或者该项超时为止。如果三路握手正常完成，该项就从未完成链接队列中的对头项将返回给进程，或者吐过该队列为空，那么进程将被投入睡眠，直到TCP在该队列中国放入一项才唤醒它。在三路握手正常完成的前提下（没有丢失分节，从而没有重传），未完成链接队列中的任何一项在其中的存留时间就是一个RTT，而RTT的值取决于特定的客户与服务器。对于一个WEB服务器，许多客户与单个服务器之间的中值RTT为187ms。

       关于这两个队列需要特别注意的一点：当一个客户SYN到达时，拖这些队列是满的，TCP就忽略该分节，也就是不发送RST。这么做事因为：这种情况是暂时的，客户TCP将重发SYN，期望不久久能在这些队列中找到可用空间。要是服务器TCP立即响应以一个RST。客户的connect调用就会立即返回一个错误，强制应用进程处理这种情况，而不是让TCP的正常重传机制来处理。另外，客户无法区别响应SYN的RST究竟意味着“该端口乜有服务器在监听”，还是意味着“该端口有服务器在监听，不过它的队列满了”。

        在三路握手完成之后，但在服务器调用accept之前到达的数据应由服务器TCP排队，最大数据量为相应已连接套接字的接受缓冲区大小。

六、accept函数

Accept函数由TCP服务器调用，用于从已完成链接队列对头返回下一个已完成俩接，如果已完成链接队列为空，那么进程被投入睡眠。

#include <sys/socket.h>

Int accept(int sockfd,struct sockaddr *cliaddr,socklen_t*addrlen); // 若成功为非负描述符，若出错则为-1

        参数.cliaddr和addrlen用来返回已链接的对端进程（客户）的协议地址。addrlen是指-结果参数。调用前，我们将由*addrlen所引用的整数值置为由cliaddr所指的套接字地址结构的长度。返回时，该整数值既为由内核存放在该套接字地址结构内的确切字节数。

如果成功，返回值是由内核自动生成的一个全新描述符，代表与所返回客户的TCP链接。

七、fork和exec函数

#include <unistd.h>

Pid_t fork(void); //在子进程中为0，在父进程中为子进程ID，出错为-1

          在子进程返回值为0，在父进程返回值为子进程ID，出错为-1.fork在子进程返回0而不是父进程ID的原因在于：任何子进程只有一个父进程，而且子进程总是可以通过调用getppid取得父进程的进程ID。相反，父进程有许多子进程，而且无法获取各个子进程的进程ID。

1）  关于exec函数

关于exec函数有六个，这六个exec函数之间的区别在于：待执行的程序文件是由文件名还是由路径名指定；新程序的参数是一一列出还是由一个指针数组来引用；把调用进程的环境传递给新程序还是给新程序指定新的环境。

八、并发服务器

        当一个连接建立，accept返回，服务器接着调用fork，然后由子进程服务客户（通过已连接套接字connfd），父进程则等待另一个连接（通过监听套接字listenfd）。既然新的客户由子进程童工服务，父进程就关闭已连接套接字。子进程在做完操作以后，显示地关闭已连接套接字。这一点并非必须，因为下一个语句就是调用exit，而进程终止处理的部分工作就是关闭所所有由内核打开的描述符。

        同时这里还牵涉到引用计数的问题，在父进程中可以关闭了连接套接字，为何在子进程中仍然可以使用呢？引用计数是当前打开着的引用该文件或套接字的描述符个数。比如socket返回后和listenfd关联的文件表项的引用计数值为1.accept返回后与connfd关联的文件表项的引用计数为1.进过fork以后，这两个描述符就在父进程与子进程之间共享，因此与这两个套接字相关联的文件表项各自的访问计数均为2.当父进程关闭connfd时，它只是把相应的引用计数值从2减为1.该套接字真正的清理和资源释放在其引用计数达到0时才发生。

        在接下来的章节中将展示并发服务器。

for(;;)
	{
		connfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&connlen);
		if((pid_t=fork())==0)
			{
				close(listenfd);
				str_echo(connfd);
				exit(0);
				}
		close(connfd);
		}

这就是并发服务器和迭代服务器最重要的区别，这里仅仅是核心部分代码

        最典型的步骤就是：在父进程中fork一个子进程，然后在父进程中close连接描述符，在子进程中close监听描述符，关于为何这样做，在下文中有介绍，主要的核心就是描述符计数值的问题。

九、close函数

#include  <unistd.h>

Int close(int sockfd);

这个函数的默认行为是把该套接字标记成已关闭，然后立即返回到调用进程。

如果父进程对每个由accept返回的已链接套接字不调用close。那么，父进程最终将耗尽可用描述符，更重要的是，没有一个客户连接会被终止。当子进程关闭已链接套接字时，它的应用技术值将由2减为1并保持不变。这将妨碍TCP链接终止序列的繁盛，导致链接一直打开着。

十、getsockname和getpeername函数

#include <sys/socket.h>

Int getsockname(int sockfd,struct sockaddr*localaddr,socklen_t *addrlen);

Int getpeername(int sockfd,struct sockaddr*peeraddr,socklen_t *addrlen); 
//若成功则为0，失败则为-1

       函数的作用：

1）  在一个没有调用bind的TCP客户上，connect成功返回后，getsockname用于返回由内核赋予该连接的本地IP地址和本地端口号。

2）  当一个服务器调用过accept的某个进程通过调用exec执行程序时，它能够获取客户身份的唯一途径是调用getpeername。

PS：

   本章主要讲解了TCP编程初步知识，特别是几个重要函数的使用