UNP卷1：第四章（基本TCP套接字编程）

时间：2021-09-28 10:19:43

0.TCP连接的建立和终止

1） 三次握手

    建立一个TCP连接时会发生下述情形：

（1）服务器必须准备好接受外来的连接。这通常通过调用socket,bind和listen这三个函数来完成，我们称之为被动打开。

（2）客户通过调用connect发起主动打开。这导致客户TCP发送一个SYN（同步）分节，它告诉服务器客户将在（待建立的）连接中发送的数据的初始序列号。通常SYN分节不携带数据，其所在IP数据报只含有一个IP首部，一个TCP首部及可能有的TCP选项。

（2-1）TCP选项之MSS选项：

发送SYN的TCP一端使用本选项通告对端它的最大分节大小（maximum segment size）即MSS，也就是它在本连接的每个TCP分节中愿意接受的最大数据量。发送端TCP使用接收端的MSS值作为所发送分节的最大大小。

（3）服务器必须确认（ACK）客户的SYN，同时自己也得发送一个SYN分节，它含有服务器将在同一连接中发送的数据的初始序列号。服务器在单个分节中发送SYN和对客户SYN的ACK。

（4）客户必须确认服务器的SYN。

    这种交换至少需要3个分组，因此称之为TCP的三路握手。（这里SYN为1字节，所以ACK时候只要在K上简单加1即可）

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2） TCP连接终止

    TCP终止一个连接则需4个分节：

（1）某个应用进程首先调用close，我们称该端执行主动关闭。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。

（2）接收到这个FIN的对端执行被动关闭。这个FIN由TCP确认。它的接收也作为一个文件结束符（EOF）传递给接收端应用进程（放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后），因为FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。

（3）一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。

（4）接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。

备注：从执行被动关闭到执行主动关闭（步骤2和步骤3之间）一端流动数据是可能的，这称为半关闭，毕竟当时接收端的套接字并未close掉。（FIN和SYN一样为1字节，所以ACK也是简单的N+1）

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3） TCP状态转换图

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4） 观察分组

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1. socket函数

    为了执行网络I/O，一个进程必须做的第一件事就是调用socket函数，指定期望的通信协议类型。

#include <sys/socket.h>

int socket( int family, int type, int protocol );
                  返回：若成功则为非负描述符，若出错则为-1

1） socket函数的family常值

family 说明
AF_INET IPv4协议
AF_INET6 IPv6协议
AF_LOCAL unix域协议
AF_ROUTE 路由套接字
AF_KEY 密钥套接字

2） socket函数的type常值

type 说明
SOCK_STREAM 字节流套接字
SOCK_DGRAM 数据报套接字
SOCK_SEQPACKET 有序分组套接字
SOCK_RAW 原始套接字

3） socket函数AF_INET或AF_INET6的protocol常值

protocol 说明
IPPROTO_TCP TCP传输协议
IPPROTO_UDP UDP传输协议
IPPROTO_SCTP SCTP传输协议

    socket函数在成功时返回一个小的非负整数值，它与文件描述符类似，我们把它称为套接字描述符，简称sockfd.

    对于unix一切皆文件，则套接字描述符为网络通信中的文件描述符。程序可以通过套接字描述符进行通信。


2. 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 struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen );
                返回：若成功则为0，若出错则为-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。

    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。

    如果是TCP套接字，调用connect函数将激发TCP的三路握手过程，而且仅在连接建立成功或出错时才返回，其中错误返回可能有以下几种情况：

1）若TCP客户没有收到SYN分节的响应，则返回ETIMEDOUT错误（超时）

2） 若对客户的SYN的响应是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，毕竟端口用于标识一个进程）。这是一种硬件错误（hard error），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：目的地为某端口的SYN到达，然而该端口上没有正在监听的服务器；TCP想取消一个已有连接；TCP接收到一个根本不存在的连接上的分节。

3）若客户发出的SYN在中间的某个路由器上引发了一个“destination unreadchable”ICMP错误，则认为是一种软件错误（soft error）。客户主机内核保存该消息，并继续发送SYN。若超时，则将ICMP错误作为EHOSTUNREACH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重新调用socket。


3. bind函数

    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 );
                          返回：若成功则为0，若出错则为-1

    第二个参数是一个指向特定与协议的地址结构的指针，第三个参数是该地址结构的长度。

1） 服务器在启动时捆绑它们的总所周知端口（端口用于标识一个进程，如果端口为0，则由内核选择端口,而且必须使用getsockname来返回协议地址来得到内核所选择的这个端口号）

2） 进程可以把一个特定的IP地址捆绑到它的套接字上（一般都是通配地址，用常量值INADDR_ANY来指定，如htonl( INADDR_ANY)）


4. listen函数

    listen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，它被假设为一个主动套接字，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，指示内核应接受指向该套接字的连接请求。

2） 第二个参数规定了内核应该为相应套接字排队的最大连接个数。

#include <sys/socket.h>

int listen( int sockfd, int backlog );
                    返回：若成功则为0，若出错则为-1

（1） 理解backlog

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：每个这个的SYN分节对应其中一项：已由某个客户发出并到达服务器，而服务器正在等待完成相应的TCP三路握手过程。这些套接字处于SYN_RCVD状态。

已完成连接队列：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。

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    每当在未完成连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连接中。连接的创建机制是完全自动的，无需服务器进程握手：

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5. accept函数

    accept函数由TCP服务器调用，用于从已完成连接队列队头返回下一个已完成连接。如果已完成连接队列为空，那么进程被投入睡眠（假定套接字为默认的阻塞方式）

#include <sys/socket.h>

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

    参数cliaddr和addrlen用来返回已连接的对端进程（客户）的协议地址。addrlen是值-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，该整数值即为由内核存放在该套接字地址结构内的确切字节数。

    我们在srv.c中增加以下代码，就可以看到客户端的IP和端口了：

socklen_t len;
struct sockaddr_in	servaddr, cliaddr;
len = sizeof(cliaddr);
connfd = accept( listenfd, ( SA * )&cliaddr, &len );
inet_ntop( AF_INET, &cliaddr.sin_addr, buff, sizeof(buff));
printf("connection from %s,port %d\n", buff , ntohs(cliaddr.sin_port));
而服务端则会输出： 

leichaojian@ThinkPad-T430i:~$ ./daytimetcpsrv1
connection from 127.0.0.1,port 57452

6. close函数

    close函数也用来关闭套接字，并终止TCP连接。

#include <unistd.h>

int close( int sockfd );

7. getsockname和getpeername函数

    这两个函数或者返回与某个套接字关联的本地协议地址(getsockname)，或者返回与某个套接字关联的外地协议地址（getpeername）

1）getsockname的测试函数如下：

服务端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <netinet/in.h>

#define MAXLINE 1024
#define SA struct sockaddr

int main(int argc, char **argv)
{
	int		listenfd, connfd;
	int		buff[MAXLINE];
	pid_t	pid;
	time_t	ticks;
	struct	sockaddr_in	servaddr;
	struct	sockaddr_in	cliaddr;
	socklen_t	cliLen;
	listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(9877);

	bind(listenfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr));

	listen(listenfd, 5);

	for ( ; ; ){
		cliLen = sizeof(cliaddr);
		connfd = accept(listenfd, (SA *)&cliaddr, &cliLen);
		if ((pid = fork()) == 0){
			close(listenfd);
			ticks = time(NULL);
			snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));
			write(connfd, buff, strlen(buff));
			_exit(0);
		}
		if (waitpid(pid, NULL, 0) != pid){
			printf("waitpid error\n");
			exit(1);
		}
		close(connfd);
	}

	return 0;
}

客户端： 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <fcntl.h>

#define MAXLINE 1024
#define SA struct sockaddr

int main(int argc, char **argv)
{
	int		sockfd, n;
	struct	sockaddr_in	servaddr;
	char	buff[MAXLINE + 1];
	struct	sockaddr_in	cliaddr;
	socklen_t	cliLen;
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons(9877);

	inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);

	connect(sockfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr));
	cliLen = sizeof(cliaddr);
	getsockname(sockfd, (SA *)&cliaddr, &cliLen);

	while ((n = read(sockfd, buff, MAXLINE)) > 0){
		buff[n] = '\0';
		fputs(buff, stdout);
	}

	return 0;
}

    当我们分别用gdb调试的时候，发现服务端和客户端的cliaddr的内容是一致的： 

(gdb) p cliaddr
$2 = {sin_family = 2, sin_port = 49635, sin_addr = {s_addr = 16777343}, 
  sin_zero = "\000\000\000\000\000\000\000"}


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