Socket详解

套接字概念

概念

Socket中文意思是"插座"，在Linux环境下，用于表示进程间网络通信的特殊文件类型。本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。

是文件，所以我们可以使用文件描述符引用套接字。

Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口，使得读写套接字和读写文件的操作是一致的。区别是文件应用于本地持久化数据的读写。而套接字多应用于网络进程间数据的传递。

在TCP/IP协议中，IP地址+TCP或UDP端口号可以唯一标识网络通讯中的一个进程。

IP地址+端口号就对应一个Socket。想要建立链接的两个进程各自有一个Socket来标识。那么这两个Socket组成的Sockset Pair就唯一标识一个连接。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。

套接字通信原理

在网络通讯中，套接字一定成对出现的。一端的发送缓冲区对应对端的接收缓冲区。

Socket通信创建流程图

网络字节序

两种字节序

• 大端字节序——低地址高字节，高地址低字节
• 小端字节序——低地址低字节，高地址高字节

示例:

发送主机通常将发送缓冲区中的数据按内存地址从低到高顺序发出，接收主机把从网络上接到的字节依次保存在接收缓冲区中，也是按内存地址从低到高的顺序保存，因此，网络数据流的地址应这样规定：先发出的数据是低地址，后发出的数据是高地址。

TCP/IP协议规定，网络数据流应统一采用大端字节序，即低地址高字节。

示例:
例如端口号是1001(0x03e9),由两个字节保存，采用大端字节序，则低地址为0x03,高地址是0xe9,也就是先发0x03,再发0xe9,这16位在发送主机的缓冲区中也应该是低地址存0x03,高地址存0xe9。

但是，如果发送主机是小端字节序的，这16位被解释成0xe903,而不是1001。因此，发送主机把1001填写到发送缓冲区之前需要做字节的转换。同样的，接收主机如果是小端字节序的，接收到16位的源端口号也要做字节序的转换。

如果主机是大端字节序的，发送和接收都不需要做转换。同理，32位的IP地址也要考虑网络字节序和主机字节序的问题。

为了使网络程序具有可移植性，使同样的C代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行，可以调用以下库函数做网络字节序和主机字节序的转换。

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回，如果主机是大端字节序，这些函数不做转换，将参数原封不同的返回。

相关函数

socketaddr结构体

很多网络编程函数诞生 早于IPv4协议，那时候都使用的是sockaddr结构体,为了向前兼容，现在sockaddr退化成了（void *）的作用，传递一个地址给函数，至于这个函数是sockaddr_in还是其他的，由地址族确定，然后函数内部再强制类型转化为所需的地址类型。

sockaddr_in 细化了struct sockaddr

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;         /* address family, AF_xxx */
    char sa_data[14];            /* 14 bytes of protocol address */
};

 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 */
};

IPv4的地址格式定义在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in结构体表示，包括16位端口号和32位IP地址，但是sock API的实现早于ANSI C标准化，那时还没有void 类型，因此这些像bind 、accept函数的参数都用struct sockaddr 类型表示，在传递参数之前要强制类型转换一下，例如：

示例:

IP地址转换函数

#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

af 取值可选为 AF_INET 和 AF_INET6 ，即和 ipv4 和ipv6对应

支持IPv4和IPv6

其中inet_pton和inet_ntop不仅可以转换IPv4的in_addr，还可以转换IPv6的in6_addr。

因此函数接口是void *addrptr。

示例:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(void) {

    char ip[] = "2.3.4.5";

    char server_ip[64];

    struct sockaddr_in server_addr;
    inet_pton(AF_INET,ip,&server_addr.sin_addr);

    printf("s_addr: %x\n",server_addr.sin_addr.s_addr);
    printf("s_addr from net to host: %x\n",ntohl(server_addr.sin_addr.s_addr));

    inet_ntop(AF_INET,&server_addr.sin_addr.s_addr,server_ip,64);

    

    printf("server ip:%s\n",server_ip);

    printf("INADDR_ANY:%d\n",INADDR_ANY);

    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    inet_ntop(AF_INET, &server_addr.sin_addr.s_addr, server_ip, 64);

    printf("server ip:%s\n", server_ip);

    return 0;
}

socket

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

参数1：domain

• AF_INET 这是大多数用来产生socket的协议，使用TCP或UDP来传输，用IPv4的地址
• AF_INET6 与上面类似，不过是来用IPv6的地址
• AF_UNIX 本地协议，使用在Unix和Linux系统上，一般都是当客户端和服务器在同一台及其上的时候使用

参数2:type

• SOCK_STREAM 这个协议是按照顺序的、可靠的、数据完整的基于字节流的连接。这是一个使用最多的socket类型，这个socket是使用TCP来进行传输。
• SOCK_DGRAM 这个协议是无连接的、固定长度的传输调用。该协议是不可靠的，使用UDP来进行它的连接。
• SOCK_SEQPACKET该协议是双线路的、可靠的连接，发送固定长度的数据包进行传输。必须把这个包完整的接受才能进行读取。
• SOCK_RAW socket类型提供单一的网络访问，这个socket类型使用ICMP公共协议。（ping、traceroute使用该协议）
• SOCK_RDM 这个类型是很少使用的，在大部分的操作系统上没有实现，它是提供给数据链路层使用，不保证数据包的顺序

参数3:protocol

• 传0 表示使用默认协议。

返回值：

• 成功：返回指向新创建的socket的文件描述符，
• 失败：返回-1，错误号设置在errno中

补充:

socket()打开一个网络通讯端口，如果成功的话，就像open()一样返回一个文件描述符，应用程序可以像读写文件一样用read/write在网络上收发数据，如果socket()调用出错则返回-1。对于IPv4，domain参数指定为AF_INET。对于TCP协议，type参数指定为SOCK_STREAM，表示面向流的传输协议。如果是UDP协议，则type参数指定为SOCK_DGRAM，表示面向数据报的传输协议。protocol参数的介绍从略，指定为0即可。

bind

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

参数1:sockfd

• socket文件描述符

参数2:addr

• 构造出IP地址加端口号

参数3:addrlen

• sizeof(addr)长度

返回值:

• 成功返回0
• 失败返回-1，错误号设置在errno中

服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的，客户端程序得知服务器程序的地址和端口号后就可以向服务器发起连接，因此服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号。

bind()的作用是将参数sockfd和addr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听addr所描述的地址和端口号。

struct sockaddr *是一个通用指针类型，addr参数实际上可以接受多种协议的sockaddr结构体，而它们的长度各不相同，所以需要第三个参数addrlen指定结构体的长度。如：

struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(6666);

解释:

首先将整个结构体清零，然后设置地址类型为AF_INET，网络地址为INADDR_ANY，这个宏表示本地的任意IP地址，因为服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能绑定多个IP地址，这样设置可以在所有的IP地址上监听，直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个IP地址，端口号为6666。

listen

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

参数1sockfd:

• socket文件描述符

参数2backlog:

• 在Linux 系统中，它是指排队等待建立3次握手队列长度

返回值

• 成功返回0
• 失败返回-1

补充:

查看当前系统默认backlog

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog

改变系统限制的backlog大小

vim /etc/sysctl.conf

最后添加
net.core.somaxconn = 1024
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 1024

保存，然后执行
sysctl -p

典型的服务器程序可以同时服务于多个客户端，当有客户端发起连接时，服务器调用的accept()返回并接受这个连接，如果有大量的客户端发起连接而服务器来不及处理，尚未accept的客户端就处于连接等待状态，listen()声明sockfd处于 监听状态，并且最多允许 有backlog个客户端处于连接待状态，如果接收到更多的连接请求就忽略。listen()成功返回0，失败返回-1。

#include <sys/types.h>         /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数1sockdf:

• socket文件描述符

参数2addr:

• 传出参数，返回链接客户端地址信息，含IP地址和端口号

参数3addrlen:

• 传入传出参数（值-结果）,传入sizeof(addr)大小，函数返回时返回真正接收到地址结构体的大小

返回值：

• 成功返回一个新的socket文件描述符，用于和客户端通信。
• 失败返回-1，设置errno

补充：

三次握手完成后，服务器调用accept()接受连接，如果服务器调用accept()时还没有客户端的连接请求，就 阻塞等待直到有客户端连接上来。

addr是一个传出参数，accept()返回发起请求链接的客户端的地址和端口号。

addrlen参数是一个传入传出参数（value-result argument），传入的是调用者提供的缓冲区addr的长度以避免缓冲区溢出问题，传出的是客户端地址结构体的实际长度（有可能没有占满调用者提供的缓冲区）。

如果给addr参数传NULL，表示不关心客户端的地址。

示例:

client_socket = accept(sock,(struct sockaddr*)&client,&client_addr_len);

while (1) {
    cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
    connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
    n = read(connfd, buf, MAXLINE);
    ......
    close(connfd);
}

整个是一个while死循环，每次循环处理一个客户端连接。由于cliaddr_len是传入传出参数，每次调用accept()之前应该重新赋初值。accept()的参数 listenfd是先前的监听文件描述符，而accept()的 返回值是另外一个文件描述符connfd，之后与客户端之间就通过这个connfd通讯，最后关闭connfd断开连接，而不关闭listenfd，再次回到循环开头listenfd仍然用作accept的参数。accept()成功返回一个文件描述符，出错返回-1。

connect

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

参数1sockdf:

• socket文件描述符

参数2addr:

• 传入参数，指定服务器端地址信息，含IP地址和端口号

参数addrlen:

• 传入参数,传入sizeof(addr)大小

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回-1，设置errno

补充:

客户端需要调用connect()连接服务器，connect和bind的参数形式一致，区别在于bind的参数是自己的地址，而connect的参数是对方的地址。

### 出错处理函数

系统函数调用不是每次都会成功，所以我们要进行出错处理，这样一方面可以保证程序逻辑正常， 另一方面可以迅速得到故障信息。

#include <errno.h>
#include <string.h>
char *strerror(int errnum);     /* See NOTES */

参数errnum:

• 传入参数,错误编号的值，一般取 errno 的值

返回值：

• 错误原因

示例:

fprintf(stderr, "error, reason: %s\n",strerror(errno));

#include <stdio.h>
#include <errno.h>

void perror(const char *s);   /* See NOTES */

参数s:

• 传入参数,自定义的描述

返回值：

• 无

向标准出错stderr 输出出错原因

示例:

perror_exit("create socket");