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详解Linux的SOCKET编程

仇航
2023-03-14
本文向大家介绍详解Linux的SOCKET编程,包括了详解Linux的SOCKET编程的使用技巧和注意事项,需要的朋友参考一下

本篇文章对Linux的SOCKET编程进行了详细解释,文章后面分享了一个编程实例供大家学习。

1. 网络中进程之间如何通信
进程通信的概念最初来源于单机系统。由于每个进程都在自己的地址范围内运行,为保证两个相互通信的进程之间既互不干扰又协调一致工作,操作系统为进程通信提供了相应设施,如

UNIX BSD有:管道(pipe)、命名管道(named pipe)软中断信号(signal)

UNIX system V有:消息(message)、共享存储区(shared memory)和信号量(semaphore)等.

他们都仅限于用在本机进程之间通信。网间进程通信要解决的是不同主机进程间的相互通信问题(可把同机进程通信看作是其中的特例)。为此,首先要解决的是网间进程标识问题。同一主机上,不同进程可用进程号(process ID)唯一标识。但在网络环境下,各主机独立分配的进程号不能唯一标识该进程。例如,主机A赋于某进程号5,在B机中也可以存在5号进程,因此,“5号进程”这句话就没有意义了。 其次,操作系统支持的网络协议众多,不同协议的工作方式不同,地址格式也不同。因此,网间进程通信还要解决多重协议的识别问题。

其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题,网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机,而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序(进程)。这样利用三元组(ip地址,协议,端口)就可以标识网络的进程了,网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口:UNIX  BSD的套接字(socket)和UNIX System V的TLI(已经被淘汰),来实现网络进程之间的通信。就目前而言,几乎所有的应用程序都是采用socket,而现在又是网络时代,网络中进程通信是无处不在,这就是我为什么说“一切皆socket”。


2. 什么是TCP/IP、UDP

   TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即传输控制协议/网间协议,是一个工业标准的协议集,它是为广域网(WANs)设计的。   

   TCP/IP协议存在于OS中,网络服务通过OS提供,在OS中增加支持TCP/IP的系统调用——Berkeley套接字,如Socket,Connect,Send,Recv等

   UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。如图:

   TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层,而socket所在位置如图,Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层。

3. Socket是什么

1、socket套接字:
     socket起源于Unix,而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”,都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现,        socket即是一种特殊的文件,一些socket函数就是对其进行的操作(读/写IO、打开、关闭).
   说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层,它是一组接口。在设计模式中,Socket其实就是一个门面模式,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让Socket去组织数据,以符合指定的协议。

   注意:其实socket也没有层的概念,它只是一个facade设计模式的应用,让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中,我们大量用的都是通过socket实现的。

2、套接字描述符   
   其实就是一个整数,我们最熟悉的句柄是0、1、2三个,0是标准输入,1是标准输出,2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的,对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr

   套接字API最初是作为UNIX操作系统的一部分而开发的,所以套接字API与系统的其他I/O设备集成在一起。特别是,当应用程序要为因特网通信而创建一个套接字(socket)时,操作系统就返回一个小整数作为描述符(descriptor)来标识这个套接字。然后,应用程序以该描述符作为传递参数,通过调用函数来完成某种操作(例如通过网络传送数据或接收输入的数据)。

   在许多操作系统中,套接字描述符和其他I/O描述符是集成在一起的,所以应用程序可以对文件进行套接字I/O或I/O读/写操作。

   当应用程序要创建一个套接字时,操作系统就返回一个小整数作为描述符,应用程序则使用这个描述符来引用该套接字需要I/O请求的应用程序请求操作系统打开一个文件。操作系统就创建一个文件描述符提供给应用程序访问文件。从应用程序的角度看,文件描述符是一个整数,应用程序可以用它来读写文件。下图显示,操作系统如何把文件描述符实现为一个指针数组,这些指针指向内部数据结构。

    对于每个程序系统都有一张单独的表。精确地讲,系统为每个运行的进程维护一张单独的文件描述符表。当进程打开一个文件时,系统把一个指向此文件内部数据结构的指针写入文件描述符表,并把该表的索引值返回给调用者 。应用程序只需记住这个描述符,并在以后操作该文件时使用它。操作系统把该描述符作为索引访问进程描述符表,通过指针找到保存该文件所有的信息的数据结构。

针对套接字的系统数据结构:

   1)、套接字API里有个函数socket,它就是用来创建一个套接字。套接字设计的总体思路是,单个系统调用就可以创建任何套接字,因为套接字是相当笼统的。一旦套接字创建后,应用程序还需要调用其他函数来指定具体细节。例如调用socket将创建一个新的描述符条目:

   2)、虽然套接字的内部数据结构包含很多字段,但是系统创建套接字后,大多数字字段没有填写。应用程序创建套接字后在该套接字可以使用之前,必须调用其他的过程来填充这些字段。

3、文件描述符和文件指针的区别:

文件描述符:在linux系统中打开文件就会获得文件描述符,它是个很小的正整数。每个进程在PCB(Process Control Block)中保存着一份文件描述符表,文件描述符就是这个表的索引,每个表项都有一个指向已打开文件的指针。

文件指针:C语言中使用文件指针做为I/O的句柄。文件指针指向进程用户区中的一个被称为FILE结构的数据结构。FILE结构包括一个缓冲区和一个文件描述符。而文件描述符是文件描述符表的一个索引,因此从某种意义上说文件指针就是句柄的句柄(在Windows系统上,文件描述符被称作文件句柄)。

详细内容请看linux文件系统

4. 基本的SOCKET接口函数
   在生活中,A要电话给B,A拨号,B听到电话铃声后提起电话,这时A和B就建立起了连接,A和B就可以讲话了。等交流结束,挂断电话结束此次交谈。  打电话很简单解释了这工作原理:“open—write/read—close”模式。

   服务器端先初始化Socket,然后与端口绑定(bind),对端口进行监听(listen),调用accept阻塞,等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket,然后连接服务器(connect),如果连接成功,这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求,服务器端接收请求并处理请求,然后把回应数据发送给客户端,客户端读取数据,最后关闭连接,一次交互结束。

这些接口的实现都是内核来完成。具体如何实现,可以看看linux的内核

4.1、socket()函数
     
     int  socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd
     sockfd是描述符。

   socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字,而socket()用于创建一个socket描述符(socket descriptor),它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样,后续的操作都有用到它,把它作为参数,通过它来进行一些读写操作。

   正如可以给fopen的传入不同参数值,以打开不同的文件。创建socket的时候,也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符,socket函数的三个参数分别为:

  •    protofamily:即协议域,又称为协议族(family)。常用的协议族有,AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL(或称AF_UNIX,Unix域socket)、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型,在通信中必须采用对应的地址,如AF_INET决定了要用ipv4地址(32位的)与端口号(16位的)的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
  •    type:指定socket类型。常用的socket类型有,SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等(socket的类型有哪些?)。
  •    protocol:故名思意,就是指定协议。常用的协议有,IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等,它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议(这个协议我将会单独开篇讨论!)。

注意:并不是上面的type和protocol可以随意组合的,如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时,会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时,返回的socket描述字它存在于协议族(address family,AF_XXX)空间中,但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址,就必须调用bind()函数,否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

4.2、bind()函数
正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

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

函数的三个参数分别为:

  •     sockfd:即socket描述字,它是通过socket()函数创建了,唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

  addr:一个const struct sockaddr *指针,指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同,如ipv4对应的是:
    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 */
    };
    ipv6对应的是:
    struct sockaddr_in6 {
      sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */
      in_port_t       sin6_port;     /* port number */
      uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */
      struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */
      uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */
   };

    struct in6_addr {
       unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */
   };
  Unix域对应的是:
  #define UNIX_PATH_MAX    108

  struct sockaddr_un {
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */
  };
  addrlen:对应的是地址的长度。

  通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址(如ip地址+端口号),用于提供服务,客户就可以通过它来接连服务器;而客户端就不用指定,有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind(),而客户端就不会调用,而是在connect()时由系统随机生成一个。

       网络字节序与主机字节序
       主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式:不同的CPU有不同的字节序类型,这些字节序是指整数在内存中保存的顺序,这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下:

      a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端,高位字节排放在内存的高地址端。

      b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端,低位字节排放在内存的高地址端。

      网络字节序:4个字节的32 bit值以下面的次序传输:首先是0~7bit,其次8~15bit,然后16~23bit,最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序,因此它又称作网络字节序。字节序,顾名思义字节的顺序,就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序,一个字节的数据没有顺序的问题了。

      所以:在将一个地址绑定到socket的时候,请先将主机字节序转换成为网络字节序,而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案!公司项目代码中由于存在这个问题,导致了很多莫名其妙的问题,所以请谨记对主机字节序不要做任何假定,务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

4.3、listen()、connect()函数
如果作为一个服务器,在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket,如果客户端这时调用connect()发出连接请求,服务器端就会接收到这个请求。

int listen(int sockfd, int backlog);

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

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字,第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的,listen函数将socket变为被动类型的,等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字,第二参数为服务器的socket地址,第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

4.4、accept()函数
TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后,就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后,就会调用accept()函数取接收请求,这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了,即类同于普通文件的读写I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd

参数sockfd
       参数sockfd就是上面解释中的监听套接字,这个套接字用来监听一个端口,当有一个客户与服务器连接时,它使用这个一个端口号,而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节,它只知道一个地址和一个端口号。
参数addr
       这是一个结果参数,它用来接受一个返回值,这返回值指定客户端的地址,当然这个地址是通过某个地址结构来描述的,用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣,那么可以把这个值设置为NULL。
参数len
       如同大家所认为的,它也是结果的参数,用来接受上述addr的结构的大小的,它指明addr结构所占有的字节个数。同样的,它也可以被设置为NULL。
如果accept成功返回,则服务器与客户已经正确建立连接了,此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。
注意:

      accept默认会阻塞进程,直到有一个客户连接建立后返回,它返回的是一个新可用的套接字,这个套接字是连接套接字。

此时我们需要区分两种套接字,

       监听套接字: 监听套接字正如accept的参数sockfd,它是监听套接字,在调用listen函数之后,是服务器开始调用socket()函数生成的,称为监听socket描述字(监听套接字)

       连接套接字:一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字;而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字),它代表着一个网络已经存在的点点连接。

        一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字,它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字,当服务器完成了对某个客户的服务,相应的已连接socket描述字就被关闭。

        自然要问的是:为什么要有两种套接字?原因很简单,如果使用一个描述字的话,那么它的功能太多,使得使用很不直观,同时在内核确实产生了一个这样的新的描述字。

连接套接字socketfd_new 并没有占用新的端口与客户端通信,依然使用的是与监听套接字socketfd一样的端口号

4.5、read()、write()等函数
万事具备只欠东风,至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了,即实现了网咯中不同进程之间的通信!网络I/O操作有下面几组:

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

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数,这两个函数是最通用的I/O函数,实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下:

    

 #include <unistd.h>

 ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
 ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>

 ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
 ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

 ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
   const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
 ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
   struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

 ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
 ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时,read返回实际所读的字节数,如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了,小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的,如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1,并设置errno变量。 在网络程序中,当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0,表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0,此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了,具体参见man文档或者baidu、Google,下面的例子中将使用到send/recv。

4.6、close()函数
在服务器与客户端建立连接之后,会进行一些读写操作,完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字,好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);
close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭,然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用,也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意:close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1,只有当引用计数为0的时候,才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

 

5. Socket中TCP的建立(三次握手)
TCP协议通过三个报文段完成连接的建立,这个过程称为三次握手(three-way handshake),过程如下图所示。
第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认;SYN:同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。

第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;
第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。
一个完整的三次握手也就是: 请求---应答---再次确认。

对应的函数接口:


      

从图中可以看出,当客户端调用connect时,触发了连接请求,向服务器发送了SYN J包,这时connect进入阻塞状态;服务器监听到连接请求,即收到SYN J包,调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ,ACK J+1,这时accept进入阻塞状态;客户端收到服务器的SYN K ,ACK J+1之后,这时connect返回,并对SYN K进行确认;服务器收到ACK K+1时,accept返回,至此三次握手完毕,连接建立。

我们可以通过网络抓包的查看具体的流程:
比如我们服务器开启9502的端口。使用tcpdump来抓包:

 tcpdump -iany tcp port 9502

然后我们使用telnet 127.0.0.1 9502开连接.:
telnet 127.0.0.1 9502

14:12:45.104687 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [S], seq 2927179378, win 32792, options [mss 16396,sackOK,TS val 255474104 ecr 0,nop,wscale 3], length 0(1)
14:12:45.104701 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [S.], seq 1721825043, ack 2927179379, win 32768, options [mss 16396,sackOK,TS val 255474104 ecr 255474104,nop,wscale 3], length 0  (2)
14:12:45.104711 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 1, win 4099, options [nop,nop,TS val 255474104 ecr 255474104], length 0  (3)

14:13:01.415407 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [P.], seq 1:8, ack 1, win 4099, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255474104], length 7
14:13:01.415432 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [.], ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0
14:13:01.415747 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [P.], seq 1:19, ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 18
14:13:01.415757 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 19, win 4097, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0

114:12:45.104687 时间带有精确到微妙

  • localhost.39870 > localhost.9502 表示通信的流向,39870是客户端,9502是服务器端
  • [S] 表示这是一个SYN请求
  • [S.] 表示这是一个SYN+ACK确认包:
  • [.] 表示这是一个ACT确认包, (client)SYN->(server)SYN->(client)ACT 就是3次握手过程
  • [P] 表示这个是一个数据推送,可以是从服务器端向客户端推送,也可以从客户端向服务器端推
  • [F] 表示这是一个FIN包,是关闭连接操作,client/server都有可能发起
  • [R] 表示这是一个RST包,与F包作用相同,但RST表示连接关闭时,仍然有数据未被处理。可以理解为是强制切断连接
  • win 4099 是指滑动窗口大小
  • length 18指数据包的大小

我们看到 (1)(2)(3)三步是建立tcp:
第一次握手:
14:12:45.104687 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [S], seq 2927179378
客户端IP localhost.39870 (客户端的端口一般是自动分配的) 向服务器localhost.9502 发送syn包(syn=j)到服务器》
syn包(syn=j) : syn的seq= 2927179378  (j=2927179378)

第二次握手:
14:12:45.104701 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [S.], seq 1721825043, ack 2927179379,
收到请求并确认:服务器收到syn包,并必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包:
此时服务器主机自己的SYN:seq:y= syn seq 1721825043。
ACK为j+1 =(ack=j+1)=ack 2927179379

第三次握手:
14:12:45.104711 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 1,

客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)

客户端和服务器进入ESTABLISHED状态后,可以进行通信数据交互。此时和accept接口没有关系,即使没有accepte,也进行3次握手完成。
连接出现连接不上的问题,一般是网路出现问题或者网卡超负荷或者是连接数已经满啦。

紫色背景的部分:
IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [P.], seq 1:8, ack 1, win 4099, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255474104], length 7
客户端向服务器发送长度为7个字节的数据,

IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [.], ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0
服务器向客户确认已经收到数据

 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [P.], seq 1:19, ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 18
然后服务器同时向客户端写入数据。

 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 19, win 4097, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0
客户端向服务器确认已经收到数据

这个就是tcp可靠的连接,每次通信都需要对方来确认。

6. TCP连接的终止(四次握手释放)
建立一个连接需要三次握手,而终止一个连接要经过四次握手,这是由TCP的半关闭(half-close)造成的,如图:

由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。

(1)客户端A发送一个FIN,用来关闭客户A到服务器B的数据传送(报文段4)。

(2)服务器B收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。

(3)服务器B关闭与客户端A的连接,发送一个FIN给客户端A(报文段6)。

(4)客户端A发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。

对应函数接口如图:

过程如下:

某个应用进程首先调用close主动关闭连接,这时TCP发送一个FIN M;
另一端接收到FIN M之后,执行被动关闭,对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程,因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据;
一段时间之后,接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N;
接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。
这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

1.为什么建立连接协议是三次握手,而关闭连接却是四次握手呢?

这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后,它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用,而SYN起同步作用)放在一个报文里来发送。但关闭连接时,当收到对方的FIN报文通知时,它仅仅表示对方没有数据发送给你了;但未必你所有的数据都全部发送给对方了,所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后,再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了,所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

2.为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态?

这是因为虽然双方都同意关闭连接了,而且握手的4个报文也都协调和发送完毕,按理可以直接回到CLOSED状态(就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样);但是因为我们必须要假想网络是不可靠的,你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到,因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文,而重发FIN报文,所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

7. Socket编程实例
服务器端:一直监听本机的8000号端口,如果收到连接请求,将接收请求并接收客户端发来的消息,并向客户端返回消息。

/* File Name: server.c */ 
#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<string.h> 
#include<errno.h> 
#include<sys/types.h> 
#include<sys/socket.h> 
#include<netinet/in.h> 
#define DEFAULT_PORT 8000 
#define MAXLINE 4096 
int main(int argc, char** argv) 
{ 
 int socket_fd, connect_fd; 
 struct sockaddr_in servaddr; 
 char buff[4096]; 
 int n; 
 //初始化Socket 
 if( (socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){ 
 printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 
 exit(0); 
 } 
 //初始化 
 memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); 
 servaddr.sin_family = AF_INET; 
 servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//IP地址设置成INADDR_ANY,让系统自动获取本机的IP地址。 
 servaddr.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);//设置的端口为DEFAULT_PORT 
 
 //将本地地址绑定到所创建的套接字上 
 if( bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){ 
 printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 
 exit(0); 
 } 
 //开始监听是否有客户端连接 
 if( listen(socket_fd, 10) == -1){ 
 printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 
 exit(0); 
 } 
 printf("======waiting for client's request======\n"); 
 while(1){ 
//阻塞直到有客户端连接,不然多浪费CPU资源。 
 if( (connect_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){ 
 printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno); 
 continue; 
 } 
//接受客户端传过来的数据 
 n = recv(connect_fd, buff, MAXLINE, 0); 
//向客户端发送回应数据 
 if(!fork()){ /*紫禁城*/ 
 if(send(connect_fd, "Hello,you are connected!\n", 26,0) == -1) 
 perror("send error"); 
 close(connect_fd); 
 exit(0); 
 } 
 buff[n] = '\0'; 
 printf("recv msg from client: %s\n", buff); 
 close(connect_fd); 
 } 
 close(socket_fd); 
} 

客户端:

/* File Name: client.c */ 
 
#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<string.h> 
#include<errno.h> 
#include<sys/types.h> 
#include<sys/socket.h> 
#include<netinet/in.h> 
 
#define MAXLINE 4096 
 
 
int main(int argc, char** argv) 
{ 
 int sockfd, n,rec_len; 
 char recvline[4096], sendline[4096]; 
 char buf[MAXLINE]; 
 struct sockaddr_in servaddr; 
 
 
 if( argc != 2){ 
 printf("usage: ./client <ipaddress>\n"); 
 exit(0); 
 } 
 
 
 if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){ 
 printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno); 
 exit(0); 
 } 
 
 
 memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); 
 servaddr.sin_family = AF_INET; 
 servaddr.sin_port = htons(8000); 
 if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){ 
 printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]); 
 exit(0); 
 } 
 
 
 if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){ 
 printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 
 exit(0); 
 } 
 
 
 printf("send msg to server: \n"); 
 fgets(sendline, 4096, stdin); 
 if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0) 
 { 
 printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno); 
 exit(0); 
 } 
 if((rec_len = recv(sockfd, buf, MAXLINE,0)) == -1) { 
 perror("recv error"); 
 exit(1); 
 } 
 buf[rec_len] = '\0'; 
 printf("Received : %s ",buf); 
 close(sockfd); 
 exit(0); 
}

inet_pton 是Linux下IP地址转换函数,可以在将IP地址在“点分十进制”和“整数”之间转换 ,是inet_addr的扩展。

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);//转换字符串到网络地址: 
第一个参数af是地址族,转换后存在dst中
    af = AF_INET:src为指向字符型的地址,即ASCII的地址的首地址(ddd.ddd.ddd.ddd格式的),函数将该地址转换为in_addr的结构体,并复制在*dst中
  af =AF_INET6:src为指向IPV6的地址,函数将该地址转换为in6_addr的结构体,并复制在*dst中
如果函数出错将返回一个负值,并将errno设置为EAFNOSUPPORT,如果参数af指定的地址族和src格式不对,函数将返回0。
测试:

编译server.c

gcc -o server server.c

启动进程:

./server

显示结果:

======waiting for client's request======

并等待客户端连接。

编译 client.c

gcc -o client server.c

客户端去连接server:

./client 127.0.0.1

等待输入消息

发送一条消息,输入:c++

此时服务器端看到:

客户端收到消息:


其实可以不用client,可以使用telnet来测试:

telnet 127.0.0.1 8000

注意:

在ubuntu 编译源代码的时候,头文件types.h可能找不到。
使用dpkg -L libc6-dev | grep types.h 查看。
如果没有,可以使用
apt-get install libc6-dev安装。
如果有了,但不在/usr/include/sys/目录下,手动把这个文件添加到这个目录下就可以了。

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