unix网络编程笔记

Posted 2020-07-05 sunny_ss12

第四章笔记

1. 基本Tcp客户端/服务器程序的套接字函数

2. socket函数：

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

（1）socket有三个函数，除了tcp udp外还支持许多协议。
（2）对于tcp协议：三个参数分别为AF_INET/AF_INET6、SOCK_STREAM、0
（3）对于udp协议：三个参数分别为AF_INET/AF_INET6、SOCK_DGRAM、0
（4）AF_LOCAL（或者是AF_UNIX）用于运行在相同机器的两个进程之间进行通信
（5）其他协议和参数含义，先pass
（6）返回值：如果失败返回-1，如果成功返回新创建的套接字描述符。每个进程在自己的进程空间里都有一个套接字描述表，该表中存放着套接字描述符和套接字数据结构地址的对应关系，而套接字数据结构都存放在操作系统的内核缓冲里。

3. connect函数：

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

（1）正如第三章所示：第二个参数是通用的套接字地址结构指针，但是传入参数时需要指定具体的套接字地址结构
（2）客户在调用connect前不必非得调用bind函数，因为内核对确定源IP地址，并选择一个临时端口作为源端口
（3）connect激发Tcp三次握手过程。当客户收到三次握手的第二个分节时，connect就会返回，而服务器要直到收到三次握手的第三个分节才返回。
（4）connect可能出错的情况：
a: 若客户机与服务器断连，Tcp客户端没有收到SYN分节的响应，返回ETIMEDOUT错误。举例：对于4.4BSD,当内核发送SYN，若无响应6s后再发送，若仍无响应再24s后再发送，若总共等了75s仍未响应返回ETIMEDOUT
经过测试，运行time intro/daytimetcpcli 10.0.0.1，经过2m7s左右才返回connect time out的错误
b: 若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，则对客户的SYN的响应是RST。这是一种硬错误(hard error),当客户一接收到RST就马上返回ECONNREFUSED错误。
c: 当客户发出的SYN在中间的某个路由器引发了一个目的地不可达的ICMP错误，这认为是一种软错误，之后按第一种情况所属的时间间隔继续发SYN。若在某个规定时间仍未收到响应，则返回EHOSTUNREACH或ENETUNREACH错误。
d: 由于信号导致的调用中断错误EINTR。注意：即使connect这个函数返回EINT，我们也不能再次调用它，否则会立即返回一个错误(5.9)。所以出现EINTR可以采取和其他错误同样的处理方式，比如输出错误退出进程。
（4）当connect成功返回，当前套接字进入ESTABLISHED状态，即三次握手成功状态。若失败则该套接字不再使用，如果需要再次调用connect时，必须close当前的套接字都重新调用socket

4. bind函数：

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

（0）对于第二个参数const struct sockaddr* myaddr，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址根据地址创建socket时的地址协议组的不同而不同，对于Ipv4要传递类型为sockaddr_in的地址，对于IPv6要传递类型为sockaddr_in6的地址，对于AF_UNIX要传递类型为sockaddr_un的地址。
（1）绑定的IP地址和端口号，可以指定通配IP地址和端口号0。如果指定端口号为0，那么内核就在bind被调用时选择一个临时端口。如果指定IP地址为通配地址，那么内核将等到套接字已连接(TCP)或已在套接字上发出数据报(UPD)时才选择一个本地IP地址。
（2）对于IPv4，通配地址由常量INADDR_ANY（0.0.0.0）来指定。但是IPv6的IP地址是128位，不是简单类型，不能像IPv4那样用简单数值常量表示。
（3）bind通配地址是在告知系统，如果系统是多宿主机（多个IP），我们将接受目的地址为任何本地接口的连接
IP地址用通配地址赋值代码：

struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//INADDR_ANY定义在头文件<netinet/in.h>
struct sockaddr_in6 saddr6;
saddr6.sin6_addr = in6addr_any;//系统预先分配in6addr_any变量并将其初始化常量IN6ADDR_ANY_INIT。头文件<netinet/in.h>含有in6addr_any的extern声明。

（3）传入bind的套接字地址IP和端口号不要忘记转换成网络字节序
（4）如果bind的是一个临时端口号，由于bind并不返回所选择的值，那么我们无法知道究竟bind了哪个端口号，可以调用函数getsockname来返回协议地址。
（5）bind返回的常见错误EADDRINUSE（地址已使用）
当绑定内置端口号（1-1024），必须有root权限，否则bind返回Permission denied错误。

5. listen：

int listen(int sockfd,int backlog)

（1）backlog的含义：内核为监听套接字维护的已完成连接队列(以完成三次握手，状态为ESTABLISHED，并正等待accpet)总个数的最大值
（2）backlog到底设置多少是合理的呢？？？？
（3）当一个客户SYN到达时，若这些队列是满的，TCP就忽略该分节，而不是立即响应RST。因为这种情况是暂时的，客户端会等一段时间会重发SYN，期望不久能在这些队列中找到可用空间。

6. accept：

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

（1）作用：用于从已完成连接队列返回下一个已完成连接。如果已完成连接队列为空，那么进程被进入睡眠（如果套接字为默认的阻塞方式）。
（2）如果对返回的套接字地址不感兴趣，cliaddr和addrlen可以设置为NULL
（3）accept返回的cliaddr，IP地址和端口号都是网络字节序，如果要打印出来查看，需要先转换成主机字节序，之后端口号可以直接打印，IP地址之后需要再次调用inet_ntop来获取字符串格式
（4）调用accpet时，如果出现EINTR或ECONNABORTED错误时可以忽略继续调用下一次accept。EINTR错误是当信号发生时出现调用中断错误，而ECONNABORTED错误是当客户端调用connect与服务器建立三次握手协议后，客户端又发来RST，之后服务器调用accept就会返回ECONNABORTED，这是软错误，不需要退出程序，只需要忽略它再次调用accept获取下一个可连接套接字。（5.11）

6. 读写函数：

网络IO操作有下面几组：

read()/write()
readv()/writev()
recv()/send()
redvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()

最常用的是read/write。对于read返回值大于0表示读取成功返回实际所读的字节数，0表示文件结束，对方调用了close；返回小于0的数表示出现了错误。如果错误是EINTR说明读是由中断引起的。write返回值大于0表示写成功，写了部分或者全部数据；返回值小于0表示出现了错误。如果错误是EINTR表示写时出现了中断错误。

7. close：

int close(int sockfd);

（1）作用：将套接字句柄引用计数减1，如果引用计数降为0，则将套接字标记为关闭，并立即返回到调用进程。而Tcp协议栈则尝试发送已排序等待发送到对端的任何数据，之后发送FIN分节，接收端（协议栈）收到后传递给应用程序一个文件结束符。之后接受端发送ACK和FIN。之后发送端再次发送ACK。
（2）标记为关闭的套接字之后不能再被进程调用，既不能再用于read和write

8. shutdown：

shutdown没有句柄引用计数的概念，它的作用是立即向对端发送FIN，并且shutdown之后的套接字只不能用于写，但可用于读

9. getsockname getpeername

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

（1）getsockname：返回与某个套接字关联的本地协议地址（IP地址和端口号和地址族）
（2）getpeername：返回与某个套接字关联的对端协议地址（IP地址和端口号和地址族）
（3）需要这两个函数的理由：
a. 在没有调用bind或以端口号0调用bind的客户程序中，connect成功返回后，getsockname用于返回由内核赋予该连接的本地IP地址和端口号。
b. 用通配IP地址调用bind的服务器程序中，getsockname用于返回内核赋予该连接的本地IP地址。注意：传入的套接字描述符必须是已连接套接字描述符，而不是监听套接字描述符
c. 如果不知道传入的套接字地址具体是哪个地址族，可以传入sockaddr_storage，该结构能承载系统支持的任何套接字地址结构的空间大小。

int sockfd_to_family(int sockfd)
{
    struct sockaddr_storage ss;
    socklen_t len;
    len = sizeof(ss);
    if(getsockname(sockfd,(sockaddr*)&ss,&len) < 0;
        return -1;
    return (ss.ss_family);
}

10. 简单的echo 服务端和客户端程序举例

服务端程序server.cpp

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>   //struct sockaddr_in
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

#define LISTEN_BACKLOG 50
#define MAXLINE 2048
#define handle_error(msg)\\
    do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)
int main()
{
    int listenfd,peerfd;
    struct sockaddr_in sockaddr;    
    char buffer[MAXLINE] = {0};
    if ((listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) == -1)
    {
        handle_error("create socket error");        
    }
    memset(&sockaddr,0,sizeof(struct sockaddr_in));
    sockaddr.sin_family = AF_INET;
    sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    sockaddr.sin_port = htons(7777);
    if(bind(listenfd,(struct sockaddr*)&sockaddr,sizeof(struct sockaddr_in)) == -1)
    {
        handle_error("bind");
    }
    if(listen(listenfd,LISTEN_BACKLOG) == -1)
    {
        handle_error("listen error");
    }
    while(1)
    {       
        int readn;
        struct sockaddr_in peeraddr;
        socklen_t addrlen = sizeof(peeraddr);
        char ip[20]={0};
        memset(&peeraddr,0,sizeof(peeraddr));
        if((peerfd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&peeraddr,&addrlen)) == -1)
        {
            handle_error("accept");
        }
        inet_ntop(AF_INET,&peeraddr.sin_addr,ip,20);
        printf("peeraddr ip:%s port:%d\\n",ip,ntohs(peeraddr.sin_port));
        readn = read(peerfd,buffer,MAXLINE);
        if(readn > 0)
        {
            buffer[readn] = '\\0';
            printf("write:%s",buffer);            
            write(peerfd,buffer,readn);
            close(peerfd);
        }   
        else if(readn == 0)
        {
            close(peerfd);
        }   
        else
        {
            close(peerfd);
            perror("read");
        }   

    }
    close(listenfd);
    return 0;
}

客户端程序client.cpp，客户端使用./client ip运行，每发送一次数据就结束程序

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

#define MAXLINE 2048
#define handle_error(msg)\\
    do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)
 int main(int argc,char* argv[])
 {
    int fd;
    struct sockaddr_in serveraddr;
    char buffer[MAXLINE] = {0};
    if(argc != 2)
    {
        printf("usage:client ip\\n");
    }

    fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if (fd == -1)
    {
        handle_error("create socket error");        
    }

    memset(&serveraddr,0,sizeof(struct sockaddr_in));    
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    if(inet_pton(AF_INET,argv[1],&serveraddr.sin_addr) <= 0)
    {
        handle_error("inet_pton");
    }   
    serveraddr.sin_port = htons(7777);
    if(connect(fd,(struct sockaddr*)&serveraddr,sizeof(struct sockaddr_in)) == -1)
    {
        handle_error("connect error");
    }

    int n = read(0,buffer,1024);       //读控制台：调fgets或 read(0,)
    if( write(fd,buffer,n) < 0)
    {
        handle_error("write");
    }

    close(fd);
    return 0;
 }

11. 并发服务器

（1）fork返回值>0的，表示当前进程是父进程，fork返回的是子进程的pid。fork返回值=0的，表示当前进程是子进程，子进程可调用getppid获取父进程的pid。
（2）当服端 务一个客户请求可能花费较长时间时，我们并不希望整个服务器被整个客户端长期占用，而是希望同时服务多个客户。Unix中编写并发服务器最简单的办法就是fork一个子进程来服务每个客户。
（3） 实现过程：当通过accept获取一个客户请求，然后fork一个子进程，子进程首先关闭监听监听套接字，并处理客户请求。父进程则关闭连接套接字，并再次调用accept获取下一个客户请求。
（4）使用fork对关闭套接字的处理：父进程中调用fork之前打开的所有描述符在fork返回之后由子进程分享。父进程调用accept之后调用fork，所接受的监听套接字和已连接套接字则由父子进程共享。通常，子进程关闭监听套接字，接着读写这个已连接套接字；父进程不要忘记关闭这个已连接套接字。原因见下面注释。
（5）fork的子进程处理完连接套接字描述符后，不要忘记调用exit退出进程，否则会执行到父进程的代码。
（5）典型的并发服务器程序轮廓：

pid_t pid;
int listenfd,connfd;
listenfd = Socket(...);
Bind(listenfd, ...);
Listen(listenfd,LISTENQ);
for(;;)
{
    connfd = Accept(listenfd, ... );
    if( (pid = Fork()) == 0)
    {
         Close(listenfd);  //因为exit会终止进程，而进程终止处理的部分工作就是关闭所有由内核打开的描述符，所有close listenfd可写可不写
         doit(connfd);
         Close(connfd);
         exit(0);  //不要忘记调用exit，来关闭该进程
     }
     Close(connfd);   //不要忘记close connfd，因为父进程不会用到connfd, close connfd不一定会真的关闭进程，它只是把进程的引用计数减一。如果父进程不关闭connfd，即使子进程close connfd也不会真正关闭connfd，导致连接一直打开着。而且这将导致父进程耗尽可用描述符，因为任何进程在任何时刻可拥有的打开着的描述符通常是有限的。
}

12. 总结：

（1）传入bind的套接字地址IP和端口号不要忘记转换成网络字节序
（2）bind指定的IP地址可以为通配IP地址，表示内核将等到套接字已连接(TCP)或已在套接字上发出数据报(UPD)时才选择一个本地IP地址。对于IPv4用INADDR_ANY指定，对于IPv6用in6addr_any指定。bind指定的端口号可以为0，表示内核自己分配端口
（3）若connect失败后则该套接字不再使用，如果需要再次调用connect时，必须close当前的套接字都重新调用socket
（4）accept返回的套接字地址是网络字节序，如果对accept返回的套接字地址不感兴趣，cliaddr和addrlen可以设置为NULL；如果需要读取accept返回的套接字地址，需要先从网络字节序转换从主机字节序。

（5）close只是将套接字句柄引用计数减1，如果引用计数降为0，才将套接字标记为关闭，之后进程不能再对close的套接字进行任何调用
（6）对套接字标记为关闭后，Tcp协议栈则尝试发送已排序等待发送到对端的任何数据，之后发送FIN分节，接收端（协议栈）收到FIN后传递给应用程序一个文件结束符通知应用程序收到了对端的FIN，之后两端发送的网络终止序列不在累述
（7）getsockname和getpeername用于返回与某个套接字关联的本地和对端协议地址（IP地址 端口号 地址族）
（8）使用fork实现并发服务器：子进程不要忘记关闭监听套接字，接着读写这个已连接套接字；父进程不要关闭这个已连接套接字;fork的子进程处理完连接套接字描述符后，不要忘记调用exit退出进程，否则会执行到父进程的代码。典型的并发服务器程序轮廓见11.（5）