TCP/IP网络编程之套接字的多种可选项

Posted 2021-01-07 beiluowuzheng

套接字可选项进而I/O缓冲大小

我们进行套接字编程时往往只关注数据通信，而忽略了套接字具有的不同特性。但是，理解这些特性并根据实际需要进行更改也十分重要。之前我们写的程序在创建好套接字后都是未经特别操作就直接使用，此时通过默认的套接字特性进行数据通信。之前的示例比较简单，无需特别操作套接字特性，但有时的确需要更改，表1-1列出一部分套接字可选项

表1-1   可设置套接字的多种可选选项 

协议层	选项名	说明	读取	设置
SOL_SOCKET	SO_SNDBUF	发送缓冲区大小	O	O
	SO_RCVBUF	接收缓冲区大小	O	O
	SO_REUSEADDR	是否启用地址再分配，主要原理是操作关闭套接字的Time-wait时间等待的开启和关闭	O	O
	SO_KEEPALIVE	开启套接字保活机制	O	O
	SO_BROADCAST	允许或禁止发送广播数据	O	O
	SO_DONTROUTE	打开或关闭路由查找功能	O	O
	SO_OOBINLINE	该数据字节并不放入套接字接收缓冲区，而是被放入该连接的一个独立的单字节带外缓冲区	O	O
	SO_ERROR	获得套接字错误	O	X
	SO_TYPE	获得套接字类型(这个只能获取，不能设置)	O	X
IPPROTO_IP	IP_TOS	设定该字段的值，以区分不同服务的优先级	O	O
	IP_TTL	设置主机发送数据包的生存时间	O	O
	IP_MULTICAST_TTL	生存时间(Time To Live)，组播传送距离	O	O
	IP_MULTICAST_LOOP	禁止组播数据回送	O	O
	IP_MULTICAST_IF	取默认接口或默认设置	O	O
IPPROTO_TCP	TCP_KEEPALIVE	TCP保活机制开启下，设置保活包空闲发送时间间隔	O	O
	TCP_NODELAY	不使用Nagle算法	O	O
	TCP_MAXSEG	TCP最大数据段的大小	O	O

 

从表1-1可以看出，套接字可选项是分层的。IPPROTO_IP层可选项是IP协议相关事项，IPPROTO_TCP层可选项是TCP协议相关的事项，SOL_SOCKET层是套接字相关的通用可选项。

getsockopt和setsockopt

我们几乎可以针对表1-1中的所有可选项进行读取（Get）和设置（Set），可选项的读取和设置通过如下两个函数完成：

#include <sys/socket.h>
int getsockopt(int sock, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);//成功时返回0，失败时返回-1

　　

• sock：用于查看选项套接字文件描述符
• level：要查看的可选项的协议层
• optname：要查看的可选项名
• optval：保存查看结果的缓冲地址值
• optlen：向第四个参数optval传递的缓冲大小，调用函数后，该变量中保存通过第四个参数返回的可选项信息的字节数

上述函数用于读取套接字可选项，并不难，接下来介绍更改可选项时调用的函数

#include <sys/socket.h>
int setsockopt(int sock, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);//成功时返回0，失败时返回-1

　　

• sock：用于更改可选项的套接字文件描述符
• level：要更改的可选项的协议层
• optname：要更改的可选项名
• optval：保存要更改的选项信息的缓冲地址值
• optlen：向第四个参数optval传递的可选项信息的字节数

接下来介绍这些函数的调用方法，我们先介绍getsockopt函数的调用方法，setsockopt函数的调用方法将在其他的示例中给出。下面示例用协议层为SOL_SOCKET、名为SO_TYPE的可选项查看套接字类型（TCP或UDP）

sock_type.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int tcp_sock, udp_sock;
    int sock_type;
    socklen_t optlen;
    int state;

    optlen = sizeof(sock_type);
    tcp_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    udp_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    printf("SOCK_STREAM: %d 
", SOCK_STREAM);
    printf("SOCK_DGRAM: %d 
", SOCK_DGRAM);

    state = getsockopt(tcp_sock, SOL_SOCKET, SO_TYPE, (void *)&sock_type, &optlen);
    if (state)
        error_handling("getsockopt() error!");
    printf("Socket type one: %d 
", sock_type);

    state = getsockopt(udp_sock, SOL_SOCKET, SO_TYPE, (void *)&sock_type, &optlen);
    if (state)
        error_handling("getsockopt() error!");
    printf("Socket type two: %d 
", sock_type);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc(‘
‘, stderr);
    exit(1);
}

　　　　

• 第15、16行：分别生成TCP、UDP套接字
• 第17、18行：输出创建TCP、UDP套接字时传入的SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM
• 第20、25行：获取套接字类型信息，如果是TCP套接字，将获得SOCK_STREAM常数值1；如果是UDP套接字，则获得SOCK_DGRAM的常数值2

编译sock_type.c并运行

# gcc sock_type.c -o sock_type
# ./sock_type 
SOCK_STREAM: 1 
SOCK_DGRAM: 2 
Socket type one: 1 
Socket type two: 2 

　　

上述示例给出了调用getsockopt函数查看套接字信息的方法，另外，用于验证套接字类型的SO_TYPE是典型的只读可选项，即套接字类型只能在创建时决定，以后不能再更改

SO_SNDBUF和SO_RCVBUF

前面介绍过，创建套接字将同时生成I/O缓冲，SO_RCVBUF是输入缓冲大小相关可选项，SO_SNDBUF是输出缓冲大小相关可选项。用这两个可选项可以读取和修改当前I/O缓冲大小。通过下面的示例读取创建套接字时默认的I/O缓冲大大小

get_buf.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    int snd_buf, rcv_buf, state;
    socklen_t len;

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    len = sizeof(snd_buf);
    state = getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (void *)&snd_buf, &len);
    if (state)
        error_handling("getsockopt() error");

    len = sizeof(rcv_buf);
    state = getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (void *)&rcv_buf, &len);
    if (state)
        error_handling("getsockopt() error");

    printf("Input buffer size: %d 
", rcv_buf);
    printf("Outupt buffer size: %d 
", snd_buf);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc(‘
‘, stderr);
    exit(1);
}

　　

编译get_buf.c并运行

# gcc get_buf.c -o get_buf
# ./get_buf 
Input buffer size: 87380 
Outupt buffer size: 16384 

　　

这是我系统的运行结果，不同系统可能默认的输入缓冲和输出缓冲有所差异，接下来，我们通过程序修改I/O缓冲大小

set_buf.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    int snd_buf = 1024 * 3, rcv_buf = 1024 * 3;
    int state;
    socklen_t len;

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    state = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (void *)&rcv_buf, sizeof(rcv_buf));
    if (state)
        error_handling("setsockopt() error!");

    state = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (void *)&snd_buf, sizeof(snd_buf));
    if (state)
        error_handling("setsockopt() error!");

    len = sizeof(snd_buf);
    state = getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (void *)&snd_buf, &len);
    if (state)
        error_handling("getsockopt() error!");

    len = sizeof(rcv_buf);
    state = getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (void *)&rcv_buf, &len);
    if (state)
        error_handling("getsockopt() error!");

    printf("Input buffer size: %d 
", rcv_buf);
    printf("Output buffer size: %d 
", snd_buf);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc(‘
‘, stderr);
    exit(1);
}

　　

• 第15、19行：I/O缓冲大小更改为3M字节
• 第24、29行：为了验证I/O缓冲的更改，读取缓冲大小

编译set_buf.c并运行

# gcc set_buf.c -o set_buf
# ./set_buf 
Input buffer size: 6144 
Output buffer size: 6144

　　

输出结果和我们预想的完全不同，但也算合理，缓冲大小的设置需谨慎，因此不会完全按照我们的要求进行，只是通过setsockopt函数向系统传递我们的要求。如果把输出缓冲设置为0并如实反映这种设置，TCP协议将如何进行？如果要实现流控制和错误发生时的重传机制，至少要有一些缓冲空间吧？上述示例虽没有完全按照我们的要求设置缓冲大小，但也大致反映出可以通过setsockopt函数设置缓冲大小

SO_REUSEADDR

学习SO_REUSEADDR之前，应先理解好Time-wait状态，我们看完下面的示例在了解后面的内容

reuseadr_eserver.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define TRUE 1
#define FALSE 0
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    char message[30];
    int option, str_len;
    socklen_t optlen, clnt_adr_sz;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;

    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port>
", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serv_sock == -1)
        error_handling("socket() error");
    /*
	optlen=sizeof(option);
	option=TRUE;	
	setsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &option, optlen);
	*/

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)))
        error_handling("bind() error ");

    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen error");
    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
    clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);

    while ((str_len = read(clnt_sock, message, sizeof(message))) != 0)
    {
        write(clnt_sock, message, str_len);
        write(1, message, str_len);
    }
    close(clnt_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc(‘
‘, stderr);
    exit(1);
}

　　

此示例是之前已实现多次的回声服务端，可以结合TCP/IP网络编程之基于TCP的服务端/客户端（一）这一章中的回声客户端运行。下面运行该示例，第30到32行应保持注释状态，可通过在客户端控制台输入Q或CTRL+C终止程序。也就是说，让客户端先通知服务端终止程序，在客户端控制台输入Q消息时调用close函数，向服务端发送FIN消息并经过四次握手过程。当然，输入CTRL+C时也会向服务端发送FIN消息。强制终止程序时，由操作系统关闭文件及套接字，此过程相当于调用close函数，也会向服务端发送FIN消息

服务端和客户端在已建立连接的状态下，向服务端控制台输入CTRL+C，即强制关闭服务端，这主要模拟了服务端向客户端发送FIN消息。但如果以这种方式终止程序，那么服务端重新运行将产生问题，如果用同一端口号重新运行服务端，将输出"bind() error"消息，并无法再次运行，需要等到两三分钟后才可重新运行服务端

上述两种终止运行的方式唯一的区别在于是谁先输出FIN消息，但结果迥然不同，原因何在呢？

Time-wait状态

这里需要对四次握手有很好的理解，如果还有疑问请看TCP/IP网络编程之基于TCP的服务端/客户端（二）这一章

图1-1   Time-wait状态下的套接字

图1-1中主机A是服务端，因为主机A向主机B发送FIN消息，故可以想象服务端在控制台输入CTRL+C。但问题是，套接字经过四次握手过程后并非立即消除，而是要经过一段时间的Time-wait状态。当然，只有先断开连接（即先发送FIN消息）的主机才经过Time-wait状态。因此，若服务端先断开连接，则无法立即重新运行。套接字处在Time-wait过程时，相应端口是正在使用的状态

刚才说过，先断开连接的主机的套接字，都会经过一段时间的Time-wait状态，因此，客户端或者服务端都有可能经历Time-wait状态，要看是谁先断开连接。但是客户端的套接字即便处在Time-wait状态也不要紧，因为客户端套接字的端口号是任意指定的，与服务端不同，客户端每次运行程序都动态分配端口号，因此无需太在意客户端的Time-wait状态

那么到底为什么会有Time-wait状态呢？图1-1中假设主机A向主机B传输ACK消息（SEQ 5001、ACK 7502）后立即消除套接字，但最后这条ACK消息在传递途中丢失，未能传给主机B。这时会发生什么？主机B会认为之前自己发送的FIN消息（SEQ 7501、ACK 5001）未能抵达主机A，继而试图重传。但此时主机A已是完全终止的状态，主机B永远无法收到从主机A最后传来的ACK消息。相反，若主机A的套接字处于Time-wait状态，则会向主机B重传最后的ACK消息，主机B也可以正常终止。基于这些考虑，先传输FIN消息的主机应经过Time-wait过程

地址再分配

Time-wait看似很重要，但不一定讨人喜欢，考虑一下系统发生故障从而紧急停止的情况，这时候需要尽快重启服务端以提供服务，但因Time-wait状态而必须等待几分钟。因此，Time-wait并非只有优点，而且有些情况下可能引起更大的问题。图1-2演示了四次握手不得不延长Time-wait过程的情况

图1-2   重启Time-wait计时器

图1-2所示，在主机A的四次握手过程中，如果最后数据丢失，主机B会认为主机A未能收到自己发送的FIN消息，因此重传。此时，收到FIN消息的主机A将重启Time-wait计时器。因此，如果网络状况不理想，Time-wait状态将持续

解决方案就是在套接字的可选项中更改SO_REUSEADDR的状态，适当调整该参数，可将Time-wait状态下的套接字端口重新分配给新的套接字。SO_REUSEADDR的默认值为0（假），这就意味着无法分配Time-wait状态下的套接字端口号，因此需要将这个值改成1（真）。具体做法已在示例reuseadr_eserver.c中给出，就是那段被注释的代码 

optlen=sizeof(option);
option=TRUE;	
setsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &option, optlen);

　　

TCP_NODELAY

Nagle算法是为防止因数据包过多而发生网络过载，该算法应用于TCP层，非常简单，其使用与否会导致图1-3所示的差异

图1-3   Nagle算法

图1-3展示了通过Nagle算法发送字符串“Nagle”和未使用Nagle算法的差别，可以得到一条结论：只有收到前一条数据的ACK消息时，Nagle算法才发送下一条数据。TCP套接字默认使用Nagle算法交换数据，因此最大限度地进行缓冲，直到收到ACK消息。图1-3左侧正是这种情况，为了发送“Nagle”字符串，将其传递到输出缓冲，这时头字符“N”之前没有其他数据（没有需接收的ACK），因此立即传输。之后开始等待字符“N”的ACK消息，等待过程中，剩下的“agle”填入输出缓冲。接下来，收到字符“N”的ACK消息后，将输出缓冲的“agle”装入一个数据包发送。也就是说，共需传递四个数据包以输出一个字符串

接下来分析未使用Nagle算法时发送字符串“Nagle”的过程，假设字符“N”到“e”依序传输到输出缓冲，此时的发送过程与ACK接收与否无关，因此数据到达数据缓冲后立即被发送出去，从图1-3右侧可以看到，发送字符串“Nagle”共需十个数据包。由此可知，不使用Nagle算法将对网络流量产生负面影响。即使只传输一个字节，其头信息都有可能几十个字节，因此，为了提高网络传输效率，必须使用Nagle算法

Nagle算法并不是什么时候都适用，根据传输数据的特性，网络流量未受太大影响时，不使用Nagle算法要比使用它时传输速度快，最典型的是“传输大文件数据”。将文件数据传入输出缓冲不会花太多时间，因此即便不使用Nagle算法，也会在装满输出缓冲时传输数据包，这不仅不会增加数据包的数量，反而会在无需等待ACK的前提下连续传输，因此可以大大提高传输速度

一般情况下，不适用Nagle算法可以提高传输速度，但如果无条件放弃使用Nagle算法，就会增加过多的网络流量，反而会影响传输。因此，未准确判断数据特性时不应禁用Nagle算法

禁用Nagle算法

刚才说过的“大数据文件”应禁用Nagle算法，换言之，如果有必要，就应禁用Nagle算法。Nagle算法使用与否在于网络流量上差别不大，使用Nagle算法的传输速度更慢。禁用方法很简单，从下面代码可以看出，只需将套接字可选项TCP_NODELAY改为1（真）即可

int opt_val = 1;
setsockopt(sock, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (void *)&opt_val, sizeof(opt_val));

　　

通过TCP_NODELAY的值查看Nagle算法的设置状态

int opt_val;
socklen_t opt_len;
opt_len = sizeof(opt_val);
getsockopt(sock, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (void *)&opt_val, opt_len);

　　

如果正在使用Nagle算法，opt_val变量中会保存0，如果已禁用Nagle算法，则保存1