值得收藏的TCP套介面程式設計文章
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TCP客戶端-伺服器典型事件
下圖是TCP客戶端與伺服器之間互動的一系列典型事件時間表：
- 首先啟動伺服器，等待客戶端連線
- 啟動客戶端，連線到伺服器
- 客戶端傳送一個請求給伺服器，伺服器處理請求，響應客戶端
- 迴圈步驟3
- 客戶端給伺服器發一個檔案結束符，關閉客戶端連線
- 伺服器也關閉連線
基本TCP客戶-伺服器程式的套介面函式
套介面程式設計基本函式
socket 函式
為了執行網路I/O，一個程序（無論是服務端還是客戶端）必須做的第一件事情就是呼叫 socket 函式。
#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */ int socket(int family, int type, int protocol);/* 返回：非負描述字——成功，-1——出錯 */
-
family——協議族
| 族 | 解釋 | | ---------- | ---------- | | AF_INET | IPv4協議 | | AF_INET6 | IPv6協議 | | AF_LOCAL | Unix域協議 | | AF_ROUTE | 路由套介面 | | AF_KEY | 金鑰套介面 |
-
type——套介面型別
| 型別 | 解釋 | | ------------- | ------------ | | SOCK_STREAM | 位元組流套介面 | | SOCK_DGRAM | 資料報套介面 | | SOCK_RAW | 原始套介面 |
下面是有效的 family 和 type 組合（簡略版）：
| | AF_INET | AF_INET6 | | ------------- | --------- | ---------- | | SOCK_STREAM | TCP | TCP | | SOCK_DGRAM | UDP | UDP | | SOCK_RAW | IPv4 | IPv6 |
socket 函式返回一個套介面描述字，簡稱套接字（ sockfd ）。獲取套接字無需指定地址，只需要指定協議族和套介面型別（如上表中的組合）。
connect函式
TCP客戶用 connect 函式來建立一個與TCP伺服器的連線。
#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */ int connect(int sockfd, const struct sockaddr * servaddr, socklen_t addrlen);/* 返回：0——成功，-1——出錯 */
- 引數
sockfd便是socket函式返回的套介面描述字。 - 套介面地址結構
servaddr必須包含伺服器的IP地址和埠號。 - 客戶端不必非要繫結一個埠（呼叫
bind函式），核心會選擇源IP和一個臨時埠。 -
connect函式會觸發TCP三次握手。有可能出現下面的錯誤情況：
1.客戶端未收到 SYN 分節的響應
第一次發出未收到，間隔6s再發一次，再沒收到，隔24秒再發一次，總共等待75s還沒收到則返回錯誤（ ETIMEDOUT ）。可以用時間日期程式驗證一下：
檢視本地網路資訊：
JACKIELUO-MC0:intro jackieluo$ ifconfig en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500 ether f4:0f:24:2a:72:a6 inet6 fe80::1830:dbd:1b29:2989%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x6 inet 192.168.0.101 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.0.255 nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD> media: autoselect status: active
將程式指向本地地址 192.168.0.101 （確保時間日期伺服器程式已執行），成功：
JACKIELUO-MC0:intro jackieluo$ ./daytimetcpcli 192.168.0.101 Sat Oct6 17:06:55 2018
將程式指向本地子網地址 192.168.0.102 ，其主機ID（102）不存在，等待幾分鐘後超時返回：
JACKIELUO-MC0:intro jackieluo$ ./daytimetcpcli 192.168.0.102 connect error: Operation timed out
2.收到 RST
即伺服器主機在指定埠上沒有等待連線的程序，這稱為“hard error”，客戶端一接收到 RST ，馬上返回錯誤（ ECONNREFUSED ）。驗證：
關閉之前本機執行的 daytimetcpsrv 程序
將程式指向本地地址 192.168.0.101 ：
JACKIELUO-MC0:intro jackieluo$ ./daytimetcpcli 192.168.0.101 connect error: Connection refused
3.發出的 SYN 在路由器上引發了目的不可達 ICMP 錯誤
這個錯誤被稱為“soft error”，最終返回 EHOSTUNREACH 或者 ENETUNREACH 。
bind函式
函式 bind 為套介面分配一個本地協議地址，包括IP地址和埠號。
#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */ int bind(int sockfd, const struct sockaddr * servaddr, socklen_t addrlen);/* 返回：0——成功，-1——出錯 */
- 客戶端可以不呼叫這個函式，由核心選擇一個本地ip的臨時埠就好。
- 伺服器一般都會呼叫
bind函式繫結ip地址和埠，供客戶端呼叫。一個例外是RPC（遠端過程呼叫）伺服器，它由核心為其選擇臨時埠。然後通過RPC埠對映器進行註冊，客戶端與該伺服器連線之前，先通過埠對映器獲取伺服器的埠。 - 程序可以把一個特定的IP地址捆綁到它的套介面上。對於客戶端，它傳送的請求，源IP地址就是這個地址；對於伺服器，如果綁定了IP地址，則只接受目的地為此IP地址的客戶連線。
- 如果伺服器不把IP地址繫結到套介面上，那麼核心把客戶端傳送
SYN所在分組的目的IP地址作為伺服器的源IP地址。（即伺服器收到SYN的IP）
給函式 bind 指定用於捆綁的IP地址和/或埠號的結果：
| IP地址 | 埠 | 結果 | | ---------- | ---- | ---------------------------- | | | 0 | 核心選擇IP地址和埠 | | | 非0 | 核心選擇IP地址，程序指定埠 | | 本地IP地址 | 0 | 程序選擇IP地址，核心指定埠 | | 本地IP地址 | 非0 | 程序選擇IP地址和埠 |
listen函式
函式 listen 僅被TCP伺服器呼叫。
#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */ int listen(int sockfd, int backlog);/* 返回：0——成功，-1——出錯 */
呼叫函式 socket 函式建立的套介面，預設是主動方，下一步應是呼叫 connect ， CLOSED 的下一個狀態是 SYN_SENT （見TCP狀態轉換圖）。而函式 listen 將套介面轉換成被動方，告訴核心，應接受指向此套介面的連線請求， CLOSED 狀態變成 LISTEN 。
函式 listen 的第二個引數 backlog 表示核心為此套介面排隊的最大連線數。對於給定的監聽套介面，核心會維護兩個佇列：
-
未完成連線佇列（incomplete connection queue） SYN分節已由客戶發出，到達伺服器，正在進行TCP的三路握手。此時這些套介面處於
SYN_RCVD狀態。 -
已完成連線佇列（completed connection queue） SYN分節已由客戶發出，到達伺服器，並且已完成三路握手。此時這些套介面處於
ESTABLISHED狀態。 -
當來自客戶的SYN到達時，TCP在未完成連線佇列中建立一個新條目，直到三路握手中，第三個分節（客戶對服務SYN的ACK）到達，這個條目移到已完成連線佇列的隊尾。
-
當程序呼叫
accept函式時，已完成連線佇列的頭部條目返回給程序。 -
兩個佇列之和不能超過
backlog -
當一個客戶SYN到達時，若這兩個佇列都是滿的，TCP就忽略此分節，且不傳送RST。客戶TCP將重發SYN，期望不久就能在佇列中找到空閒位置。
TCP為監聽套介面維護的兩個佇列
accept函式
函式 accept 由TCP伺服器呼叫，從已完成連線佇列頭部返回下一個已完成連線，若該佇列為空，則程序睡眠（假定套介面為預設的阻塞方式）。
#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */ int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);/* 返回：非負描述字——成功，-1——出錯 */
函式 accept 的第一個引數和返回值都是套介面描述字。其中，
- 第一個引數，稱為監聽套介面描述字，即由函式
socket返回，也用於bind，listen的第一個引數。 - 返回值，稱為已連線套介面描述字。
通常一個伺服器，只生成一個監聽套介面描述字，直到其關閉。而核心為每個被接受的客戶連線，建立一個已連線套介面，當客戶連線完成時，關閉該已連線套介面。
注意到 intro/daytimetcpsrv.c 中，後兩個引數傳的都是空指標，這是因為我們不關注客戶的身份，無需知道客戶的協議地址。
connfd = Accept(listenfd, (SA *) NULL, NULL);
稍作修改，不再傳入空指標，見 intro/daytimetcpsrv1.c ：
socklen_t len;
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
...
connfd = Accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &len);
printf("connection from %s, port %d\n",
Inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, buff, sizeof(buff)),
ntohs(cliaddr.sin_port));
kill掉之前的 daytimetcpsrv 程序：
$ sudo lsof -i -P | grep -i "listen" daytimetc 80986root3uIPv4 0xae12d925e45287930t0TCP *:13 (LISTEN) $ sudo kill -9 80986
編譯執行新的服務端程式：
$ make daytimetcpsrv1.c daytimetcpsrv1 $ ./daytimetcpsrv1
重複執行客戶端程式，發幾個請求：
$ ./daytimetcpcli 127.0.0.1 Wed Sep 26 14:11:20 2018 $ ./daytimetcpcli 127.0.0.1 Wed Sep 26 14:17:06 2018
檢視服務端列印：
connection from 127.0.0.1, port 58201 connection from 127.0.0.1, port 58342
注意到，由於客戶端程式沒有呼叫 bind 函式，核心為它的協議地址選擇了源ip作為IP地址，臨時埠號也發生了變化。
fork和exec函式
#include <unistd.h> pid_t fork(void);/* 返回：在子程序中為0，在父程序中為子程序ID，-1——出錯 */
fork 函式呼叫一次，卻返回兩次。
getppid
通過返回值可以判斷當前程序是子程序還是父程序。
父程序在呼叫 fork 之前開啟的所有描述字在函式 fork 返回後都是共享的。網路伺服器會利用這一特性：
accept fork
fork 有兩個典型應用：
- 一個程序為自己派生一個拷貝，併發執行任務，這也是典型的併發網路伺服器模型。
- 一個程序想執行其他的程式，於是呼叫
fork生成一個拷貝，利用子程序呼叫exec來執行新的程式。典型應用是shell。
以檔案形式儲存在硬碟上的可執行程式若要被執行，需要由一個現有程序呼叫 exec 函式。我們將呼叫 exec 的程序稱為呼叫程序，新程式的程序ID並不改變，仍處於當前程序。
小結
客戶和伺服器，從呼叫 socket 開始，返回一個套介面描述字。客戶呼叫 connect ，伺服器呼叫 bind 、 listen 、 accept 。最後套介面由 close 關閉。
多數TCP伺服器是呼叫 fork 來實現併發處理多客戶請求的。多數UDP伺服器則是迭代的。