linux socket编程基础

2021-09-24 04:49:53

1 进程通信

本地进程间通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：
- 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
- 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
- 共享内存（匿名的和具名的）
- 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）
网络通信：
- 标识网络进程：三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。

2 网络层级

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层，而socket所在位置如图，Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层。

运输层协议：

UDP协议：
- 无连接：意思就是在通讯之前不需要建立连接，直接传输数据。
- 不可靠：是将数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证数据报能够到达另一端，任何必须的可靠性都由应用程序提供。
TCP协议：
- TCP协议是面向连接的、可靠传输、有流量控制，拥塞控制，面向字节流传输等很多优点的协议。

3 什么是Socket

3.1 Socket套接字

那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭），这些函数我们在后面进行介绍。

3.2 Socket描述符

句柄：0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr

注意： socket 描述符待补充
Linux系统结构详解：https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/6122513#t7

4 socket 通信流程

4.1 socket 初始化函数

接口形式

int socket(int domain, int type, int protocol);

参数说明
1. domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET（IPV4）、AF_INET6（IPV6）、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
2. type：指定socket类型。常用的socket类型有SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
3. protocol：使用协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议等。
注意： type和protocol不能随意组合，当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。同时这里也对应上面我们的标识网络的唯一标识。
返回值：
返回socket 描述字

4.2 bind 函数

bind函数是把地址族中的特定的地址赋值给socket，即绑定socket通信地址。

接口形式：

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

参数说明：
1. sockfd：socket描述字，唯一标识一个socket
2. addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同
  - ipv4 对应的结构：
```
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 对应的结构：
```
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 */ 
};
```
3. addrlen：对应的地址长度
  备注：通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。
  在绑定地址时，一定要注意网络字节序和主机字节序的不同，要将主机字节序转换为网络字节序
返回值：
1. 0 成功
2. SOCKET_ERROR 错误（<0）可用WSAGETLASTERROR 函数取错误码

4.3 listen() 、connect() 函数

listen 用来监听socket网络
connect 用来发出连接请求

4.3.1 服务端

接口形式：
```
int listen(int sockfd, int backlog);
```
参数说明：
backlog：相应socket可以排队的最大连接个数
返回值：
1. 0 成功
2. SOCKET_ERROR 错误（<0）可用WSAGETLASTERROR 函数取错误码

4.3.2 客户端

接口形式：

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

参数说明：
返回值：
1. 阻塞时：
  - 0 成功
  - SOCKET_ERROR 错误（<0）可用WSAGETLASTERROR 函数取错误码
2. 非阻塞时：不能立即返回值
  返回值：https://blog.csdn.net/weixin_42316377/article/details/83050868?ops_request_misc={"request_id":"158211048119724839248846","scm":"20140713.130056874.."}&request_id=158211048119724839248846&biz_id=0&utm_source=distribute.pc_search_result.none-task

4.4 accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

接口形式：

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

参数说明：
1. sockfd：服务器的socket描述字
2. addr：返回客户端的协议地址
3. addrlen：返回客户端的协议地址长度
返回值：
已连接的socket描述字

4.5 read()、write()等函数

接口形式

#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);

4.6 close()函数

接口形式：
```
int close(int fd);
```
参数说明：
fd ：socket 标识描述符

注意： close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

5 socket TCP三次握手

6 socket TCP四次挥手

7 实践

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2 网络层级

3 什么是Socket

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3.2 Socket描述符

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4.2 bind 函数

4.3 listen() 、connect() 函数

4.3.1 服务端

4.3.2 客户端

4.4 accept()函数

4.5 read()、write()等函数

4.6 close()函数

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6 socket TCP四次挥手

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