UNP卷1：第四章（基本TCP套接字编程）
最后更新于：2022-04-01 14:48:56
## 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）
### 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）
### 3） TCP状态转换图
### 4） 观察分组
## 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。
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#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
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#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。
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：
## 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）
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#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"}
~~~