<网络编程>基本TCP套接字编程

时间：2023-03-09 15:18:53
<网络编程>基本TCP套接字编程

<网络编程>基本TCP套接字编程

tcp提供了可靠传输，当tcp向另一端发送数据的时候，要求对端返回一个确认。如果没有接收到确认，tcp就重传数据并且等待更长时间，数次重传失败后，tcp才放弃。

建立一个tcp连接会发生如下事情：

  1. 服务器必须准备好接受外来的连接请求，通常通过socket,bind,listen这三个函数完成。
  2. 客户端通过connect连接服务器，主动打开，导致tcp客户端发送一个SYN字节，通常SYN不携带数据。
  3. 服务端必须确认客户的SYN字节，即ACK字节，同时服务端还会发送一个SYN字节给客户端
  4. 客户端必须确认服务端的SYN。

每一个SYN可以包含多个TCP选项：

  • MSS选项：向对端通告最大分节大小，即愿意接收的最大数据量。
  • 窗口规模选项：TCP首部中接收窗口首部为16位，意味着最大接收窗口为65535.
  • 时间戳选项：对于高速网络是必要的，可以防止失而复现的分组可能造成的数据损坏。

相关函数：

（1）socket()

#include <sys/socket.h>
int socket(int family, int type, int protocol);
  • family:指定协议族，也称为协议域。取值为下面中的一个

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  • type，指明套接字类型

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  • protocol:协议类型常值，设为0的话表示选择所给定的family和type组合的系统默认值。

（2）connect()

#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd,const struct sockaddr* servaddr, socklen_t addrlen);

成功返回0，否则返回-1

  • sockfd:是由socket返回的套接字。
  • servaddr:包含服务器IP地址和端口号的套接字地址结构
  • addrlen:套接字地址结构的大小。

客户在调用connect之前不必一定需要调用bind函数，内核会确定源IP并选择一个临时端口作为源端口。如果是TCP套接字，调用connect将激发TCP三次握手过程。函数会阻塞进程，直到成功返回或者出错。

  1. 返回ETIMEDOUT错误：内核发送一个SYN，如没有相应，则等待6s后在发送一个，若仍无相应，则等待24秒再发送，总共等待75s后仍没有响应，则返回该错误。
  2. 返回ECONNREFUSED：服务器对客户端响应一个RST，表明服务器在客户指定的端口上没有进程在等待与之连接。产生RST还有两个条件：1）TCP想取消一个已有连接；2）TCP接收到一个根本不存在的连接上的分节
  3. 返回EHOSTUNREACH或ENETUNREACH错误：客户发出的SYN在中间的某个路由引发一个“目的地 不可达”ICMP错误，内核会报错该消息，并按情况1中的间隔继续发送SYN，若在规定时间内仍未收到响应，则把报错的信息作为这两种错误之一返回给进程。

connect若失败，则该套接字不可用，则必须先关闭该套接字，然后再次调用connect函数。

(3)bind函数：把一个本地协议地址赋予一个套接字

#include<sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* myaddr, socklen_t addrlen);

调用bind可以绑定IP地址或者端口，可以两者都指定，也可以两者都不指定。

  • 如果指定端口为0，那么内核在bind被调用得时候选择一个临时端口。
  • 如果指定IP地址为通配地址（对IPv4来说，通配地址由常值INADDR_ANY来指定，值一般为0），内核将等到套接字已连接(TCP)或已在套接字上发出数据报(UDP)时才选择一个本地IP地址

如果让内核来为套接字选择一个临时端口号，函数bind并不会返回所选择的值。第二个参数有const限定词，它无法返回所选的值。如果想得到内核所选择的临时端口值，必须调用getsockname函数

(4)listen函数

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

listen做两件事：

  1. 当socket创建一个套接字的时候，它被设定为一个主动套接字。listen将其转成一个被动套接字，指示内核应接受指向该套接字的连接请求
  2. 第二个函数规定了内核应该为相应套接字排队的最大连接个数。

内核为任一给定的监听套接字维护两个队列，两个队列之和不超过backlog

  • 未完成队列
  • 已完成队列

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当进程调用accept函数的时候，如果已连接队列不为空，那么队头项将返回给进程。否则进程进入睡眠，直到TCP在该队列中放入一项才唤醒它；不要把backlog设置为0；设置backlog的一种方法是使用一个常值。SYN到达的时候，如果队列已满，TCP忽略该SYN分节。

(5)accept()

#include<sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t addrlen);
  • sockfd:监听套接字描述符
  • cliaddr:已连接的对端客户的套接字地址结构
  • addrlen:调用时指示内核向cliaddr写入的最大字节数。

如果对返回客户协议地址不感兴趣，可以把cliaddr和addrlen均置为空指针。

(6)close()

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

close一个TCP套接字的默认行为是套接字标记关闭，立即返回调用进程。然后TCP将尝试发送已排队等待发送到对端的任何数据。close会将套接字描述符的引用计数减1，如果引用计数仍大于0，则不会引起TCP的四次挥手终止序列。

(7)shutdown()

#include<sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int howto);
  • howto
    • SHUT_RD:关闭连接的读这一半，套接字接收缓冲区中的现有数据都被丢弃。进程不能再对这样的套接字调用任何读函数（对一个TCP套接字这样调用shutdown函数后，由该套接字接收的来自对端的任何数据都被确认，然后悄然丢弃）
    • SHUT_WR:关闭连接的写这一半（对于TCP，称为半关闭），套接字发送缓冲区中的数据将被发送掉，后跟TCP的正常连接终止序列。进程不能再对这样的套接字调用任何写函数
    • SHUT_RDWR:连接的读半部和写半部都关闭。等价于调用2次shutdown，分别指定SHUT_RD与SHUT_WR

shutdown和close的区别：

  • 关闭套接字的时机不同：close把描述符的引用计数减一，仅在引用计数为0的时候，才会关闭套接字，而shutdown可直接关闭套接字
  • 全关闭和半关闭：close终止读和写两个方向的数据传送。shutdown可以关闭一个也可以关闭两个。

（8）getsockname()和getpeername()

这两个函数与TCP连接建立过程中套接字地址结构的信息获取相关

#include <sys/socket.h>
int getsockname(int sockfd, struct sockaddr* localaddr, socklen_t *adrlen);
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr* peeraddr, socklen_t *adrlen);
  • getsockname用于返回与某个套接字关联的本地协议地址
    • 没调用bind的TCP客户上，connect成功返回后，获取由内核赋予该连接的本地IP地址和端口号
    • 在以端口号0调用bind后，返回由内核赋予的本地端口号。
    • 获取某个套接字的地址簇
    • 绑定通配IP的服务器上，accept返回后，获取由内核赋予该连接的本地IP地址，此时sockfd不是监听套接字描述符
  • getpeername用于返回与某个套接字关联的外地协议地址
    • 当一个服务器是由调用过accept的某个进程通过调用exec执行程序时，它能获取客户身份的唯一途径便是调用getpeername

(9)fork()

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
  • fork():调用进程(父进程)中返回一次，返回值是新建的子进程的进程ID号，在子进程又返回一次。返回值为0.返回值本身告知当前进程是父进程还是子进程。

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