我的网络编程学习之路——基本的TCP套接字API

1.1 概述

在这个篇章里面主要讲解编写一个完整的TCP客户/服务器程序所需要的基本套接字函数。这些API包括socket、connect、bind、listen和accept。

1.2 socket 函数

为了执行网络I/O，一个进程必须做的第一件事情就是调用socket函数，指定期望的通信协议类型（使用IPv4的TCP、使用IPv6的UDP、Unix域字节流协议等）。

#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

其中family参数指明协议族，它是表1.2.1中所示的某个常值。该参数也往往被称为协议域。

表1.2.1 family常值family说 明AF_INETIPv4协议AF_INET6IPv6协议AF_LOCALUnix域协议AF_ROUTE路由套接字AF_KEY密钥套接字

type参数指明套接字类型，它是表1.2.2中所示的某个常值。
表1.2.2 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protocol参数应设置为表1.2.3的某个需要类型常值，或者设为0，以选择所给定family和type组合的系统默认值。

表1.2.3 protocol常值protocol说 明IPPROTO_TCPTCP传输协议IPPROTO_UDPUDP传输协议IPPROTO_SCTPSCTP传输协议
并非所有套接字family与type的组合都是有效的，下面给出了一些有效的组合和对应的真正协议。其中标为“是”的项也是有效的，但还没找到便捷的缩略词。而空白项则是无效组合。

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。为了得到这个套接字描述符，我们只是指定了协议族（IPv4、IPv6或Unix）和套接字类型（字节流、数据报或原始套接字）。我们并没有指定本地协议地址或远程协议地址。

1.3 connect 函数

TCP客户用connect 函数来建立与TCP服务器的连接。

#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。套接字的地址结构必须含有服务器的IP地址和端口号。

客户在调用函数connect前不必非得调用bind函数（之后我们会介绍该函数），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号作为源端口。

如果是TCP套接字，调用connect函数将激发TCP的三路握手过程，而且仅在连接建立或出错时才返回，其中出错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。举例来说，调用connect函数时，4.4BSD内核发送一个SYN，若无响应则等待6s后再发送一个，若扔无响应则等待24s后再发送。若总共等了75s后仍未收到响应则返回本错误。有些系统提供对超时值的管理控制。
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）。这是一种硬错误，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，然而该端口上并没有正在监听的 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 unreachable"（目的地不可达）ICMP错误，则认为是一种软错误。客户主机内核保存该信息，并按第一种情况中所述的时间间隔继续发送SYN。若在某个规定的时间后仍未收到响应，则把保存的消息（即ICMP错误）作为EHOSTUNREACH或ENETUNREACH错误返回给进程。以下两种情形也是有可能的：一是按照本地系统的转发表，根本没有到达远程系统的路径；二是connect调用根本不等待就返回。

connect函数导致当前套接字从CLOSED状态（该套接字自从由socket函数创建以来一直处于的状态）转移到SYN_SENT状态，若成功则在转移到ESTABLISHED状态。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。

1.4 bind 函数

bind函数把一个本地协议地址赋予一个套接字。对于网际网协议，协议地址是32位的IPv4地址或128位的IPv6地址与16位的TCP或UDP端口号的组合。

#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于协议的地址结构的指针，第三个参数是该地址结构的长度。对于TCP，调用bind函数可以指定一个端口，或指定一个IP地址，也可以两者都指定，还可以都不指定。

• 服务器在启动时捆绑它们的众所周知端口。如果一个TCP客户或服务器未曾调用bind捆绑一个端口，当调用connect或listen时，内核就要为相应的套接字选择一个临时端口。让内核来选择临时端口对于TCP客户来说是正常的，除非应用需要一个预留端口；然而对于TCP服务器来说去极为罕见，因为服务器是通过它们众所周知端口被大家认识的。
• 进程可以把一个特定的IP地址捆绑到它的套接字上，不过这个IP地址必须属于其所在主机的网络接口之一。对于TCP客户，这就为在该套接字上发送的IP数据报指派了源IP地址。对于TCP服务器，这就限定该套接字只接收那些目的地为这个IP地址的客户连接。TCP客户通常不把IP地址捆绑到它的套接字上。当连接套接字时，内核将根据所用外出网络接口来选择源IP地址，而所用外出接口则 取决于到达服务器所需的路径。如果TCP服务器没有把IP地址捆绑到它的套接字上，内核就把客户发送的SYN的目的IP地址作为服务器的源IP地址。

正如我们所说，调用bind可以指定IP地址或端口，可以两者都指定，也可以都不指定。

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。然而如果指定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（UDP）时才选择一个本地IP地址。

对IPv4来说，通配地址由常值INADDR_ANY来指定，其值一般为0。它告知内核去选择IP地址。

struct sockaddr_in servaddr;servaddr.sin_addr.a_addr = htonl(INADDR_ANY);

对于IPv6来说，128位的IPv6地址是存放在一个结构中的。系统预先分配inaddr_any变量并将其初始化为常值IN6ADDR_ANT_INIT。

struct sockaddr_in6 serv;serv.sin6_addr = in6addr_any;

如果让内核来为套接字选择一个临时端口号，那么必须注意，函数bind并不返回所选择的值。为了得到内核所选择的这个临时端口值，必须调用函数getsockname来返回协议地址。

从bind函数返回的一个常见错误是EADDRINUSE（地址以使用）。

1.5 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。调用listen导致套接字从CLOSED状态转换到LISTEM状态。
2. 本函数的第二个参数规定了 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

本函数通常应该在调用socket和bind这两个函数之后，并在调用accept函数之前调用。

为了理解其中的backlog参数，我们必须认识到内核为任何一个给定的监听套接字维护两个队列：

1. 未完成连接队列，每个这样的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。
2. 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

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，无需服务器进程插手。下面展示了用这两个队列建立连接时所交换的分组。

当来自客户的SYN到达时，TCP在未完成连接队列中创建一个新项，然后响应以三路握手的第二个分节：服务器的SYN响应，其中捎带对客户SYN的ACK。这一项一直保留在未完成队列中，直到三路握手的第三个分节（客户对服务器SYN的ACK）到达或者该项超时为止。如果三路握手正常完成，该项就从未完成连接队列移到以完成连接队列的队尾。当进程调用accept是，已完成连接队列中的队头项将返回给进程，或者如果该队列为空，那么进程将被投入睡眠，直到TCP在该队列中放入一项才唤醒它。

关于这两个队列的处理，以下几点需要考虑。

• listen函数的backlog参数曾被规定为这两个队列总和的最大值。
• 不要把backlog定义为0，因为不同的实现对此有不同的解释。如果你不想让任何客户连接到你的监听套接字上，那就关掉该监听套接字。
• 在三路握手正常完成的前提下（也就是说没有丢失分节，从而没有重传），未完成连接队列中的任何一项在其中的存留时间就是一个RTT，而RTT的值取决于特定的客户与服务器。
• 指定一个比内核能够支持的值还要大的backlog也是可接受的，因为内核应该悄然把所指定的偏大值截成自身支持的最大值，而不返回错误。
• 指定较大backlog值得理由在于：随着客户SYN分节的到达，未完成连接队列中的项数可能增长，它们等着三路握手的完成。
• 当一个客户SYN到达时，若这些队列时满的，TCP就忽略该分节，也就是不发送RST。这么做是因为：这种情况是暂时的，客户TCP将重发SYN，期望不久就能在这些队列中找到可用空间。要是服务器TCP立即响应以一个RST，客户的connect调用就会立即返回一个错误，强调应用进程处理这种情况，而不是让TCP的正常重传机制来处理。另外，客户无法区别响应的RST究竟意味着“该端口没有服务器在监听”，还是意味着“该端口有服务器在监听，不过它的队列满了”。
• 在三路握手完成之后，但在服务器调用accept之前到达的数据应由服务器TCP排队，最大数据为相应已连接套接字的接收缓冲区大小。

1.6 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（假设套接字为默认的阻塞方式）。

#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。

如果accept成功，那么其返回值就是由内核自动生成的一个全新描述符，代表与所返回客户的TCP连接。我们称它的第一个参数为监听套接字描述符（由socket创建，随后用作bind和listen的第一个参数的描述符），称它的返回值为已连接套接字。区分这两个套接字非常重要。一个服务器通常仅仅创建一个监听套接字，它在服务器的生命周期内一直存在。内核为每个服务器进程接受的客户连接创建一个已连接套接字（也就是说对于它的TCP三路握手过程已经完成）。当服务器完成对某个给定客户的服务时，相应的已连接套接字就被关闭。

本函数最多返回三个值：一个既可能是全新套接字描述符也可能是出错指示的整数、客户进程的协议地址以及该地址的大小。如果我们对客户的协议地址不感兴趣，那么可以把cliaddr和addrlen均置为空指针。

1.7 基本TCP客户/服务器程序的套接字函数