课程内容

套接字是什么？网络编程是做什么的？

• 了解TCP/IP五层模型、OSI七层模型
• 类比
  • 套接字——快递员
  • 运输层——快递公司：TCP——某丰快递公司，UDP——某通快递公司
  • 交通运输道路——因特网
  • 通讯地址——IP

——运输层协议——

类比快递公司
对于开发者，只能选择TCP或UDP协议，修改协议参数

TCP

传输控制协议；面向连接，可靠的数据传输协议

• 连接：三次握手 [详见附加知识点]
• 可靠的本质：确认与重传 [需要有序号]
  • 如果丢了就会重传
  • [PS] 双方都保存一些描述双方状态的变量
• 头部格式
• 
• 源端口号：从哪个端口发出；目标端口号：发送到哪个端口
  • 不同的端口对应不同的应用
  • 如果把计算机比作一个大楼，端口号就是大楼里的房间号
  • IP地址由IP层给出
• 序列号：标志第几次通信；确认应答号：期望对方下次通信的序列号
• 首部长度：单位为字 [一般为4字节]
• 功能比特位[关注标黄处]
  • ACK：确认
  • RST：重置连接 [拒绝下次连接]
  • SYN：建立请求 [三次握手中前两次握手会用到]
  • FIN：关闭连接 [四次挥手的第一、第三次挥手会用到，同时还可以放一些数据，详见附加知识点]
• 窗口大小：告诉对方还可以发多少数据，用来抑制对方的发送速率
• 校验和：确认数据是否正确。如果有问题，直接销毁，然后请求重发
• [PS]
  • 设计了这么多主要为了可靠
  • 现实中的快递公司无法达到可靠，因为运输的物品是唯一的

UDP

用户数据报协议；无连接，不可靠的数据传输协议

• 无连接：不需要握手
• 不可靠：不管对方是否收到
• 优势：灵活、成本低
• 头部格式
• 
• 相对TCP，简单得多

——socket——

类比快递员，但只为一个任务服务
进程和运输层之间的接口，进程发送网络数据必须经它交给运输层去交付

【生与死】

socket：创建套接字

• 
• domain：域名类型
  • AF_INET，对应ipv4 [常用]
  • AF_INET6，对应ipv6
• type：类型
  • SOCK_STREAM，对应字节流 [TCP]
  • SOCK_DGRAM，对应数据报 [UDP]
• protocol：协议
  • domain和type可能唯一确定protocol，如AF_INET与SOCK_STREAM确定IPPROTO_TCP
  • [PS] 只能选一个的话，可用0代替
• 返回值：文件描述符
  • 出错则返回-1
  • socket也是一个文件，一切皆文件

close：关闭连接

• int close(int fd);
• 四次挥手 [详见附加知识点]
• 两端都需要调用close，调用方发送FIN，接收端的recv的返回值为0

【服】

bind：绑定IP和端口

只针对于收数据方

• 
• sockfd：文件描述符
• addr：IP地址和端口
  • 绑定IP：可以接收来自该IP地址的数据 [本机]
    • 若为空，则可以接收来自任意IP地址的数据
    • 可用在内网和外网的交接处，作为防火墙使用
  • 绑定端口：服务于哪个端口 [共$2^{16}=65536$个端口]
• addrlen：地址长度
• 返回值：成功，0；否则，-1

+相关结构体：sockaddr、sockaddr_in

sockaddr

• 
• sin_family：地址协议族，一般使用AF_INET，对应ipv4
• sa_data：同时包含IP地址和端口
• ❗ 使用并不方便，转用下列更友好的方式👇，再使用(struct sockaddr*)强转即可

sockaddr_in

• 
• sin_port：端口号 [需要网络字节序，见下]
• sin_addr：IP地址
• 其中，sin_addr对应一个新的结构体in_addr
  • 
  • 存储32位无符号整型，一般使用inet_addr函数将点分十进制转换为in_addr结构体：
    • 
    • 点分十进制表示 [字符串形式] 更方便
    • inet_ntoa，则反之

+主机字节序 & 网络字节序

• 主机字节序：大端、小端
  • 常见为小端机，低位字节排放在内存的低地址端
• 网络字节序：对于4个字节的32bit值，先传输0~7bit，...，最后传输24~31bit
• 整形字节序的转换函数
  • 
  • htonl：32位主机字节序到网络字节序的转换
  • htons：16位主机字节序到网络字节序的转换
  • ntohl、ntohs，则反之

litsen：设为监听态

将套接字从主动（默认）切换为被动 [首先需要bind绑定端口]

• 
• 注意：第二个参数的真实含义是完成队列的长度
  • ① TCP连接过程存在两个队列
    • 未完成队列：客户端发送SYN过来，服务器回应SYN+ACK之后，服务器当前处于SYN_RECV状态，此时的连接处在未完成队列中
    • 完成队列：客户端回应ACK之后，两边都处于ESTABLISHED状态，此时连接从未完成队列转移到完成队列中
    • 👉 当服务器调用accept时，才将连接从完成队列中移除
  • ② 注意事项：设置合适的backlog；服务端要尽快accept新的连接

accept：接受连接

生成一个新的快递员 [还可继续建立多个连接]

• 
• ① 传入的sockfd必须经过socket()、bind()、listen()处理
• ② addr为传出参数，用来存储客户端地址
• 返回值
  • 成功，则返回一个新的sockfd，原先的sockfd仍可用来accept
  • 失败，则返回-1
• [PS] 一般新的scokfd使用完毕就将其关闭；listen状态的socket不关闭

【客】

connect：建立连接

主动套接字，最多只能连一个

• 
• 与accept不同的是：
  • sockfd不需要经过bind()、listen()处理
  • 不会返回新的socket

⭐ connect和accept是一对，分别在客户端和服务端执行，在此期间，完成了三次握手

【传输】

send：发送数据

本质同write

• 
• ❗ sendto多传入了dest_addr和addrlen，它是用于UDP的
  • 因为没有建立连接，从而需要指定目的IP和端口
• flag一般置为0

recv：接收数据

本质同read

• 
• 当对方断开时，返回值为0
• ❗ recvfrom多传入了src_addr和addrlen，它是用于UDP的
  • src_addr存储发送数据端的地址信息
• 默认是阻塞的

——附加——

kill

给一个进程发送信号

• man 2 kill
• 原型
  • 
  • 基于进程ID和信号位掩码
• 描述
  • 
  • 设置pid有各种形式
  • 均需要存在和权限检查
• 返回值
  • 
  • 0，成功；-1，出错
• kill -l 查看信号列表
  • 
  • 64种信号

signal

信号的处理方式

• man signal
• 原型
  • 
  • 需要定义一个sighandler_t类型的函数
• 描述
  • 
  • 其行为会随UNIX版本变化
  • handler有三种类型：忽略、默认、自定义
  • 自定义类型涉及涉及捕鼠器原理：夹住一个老鼠的时候，后面一个老鼠可能被丢失
    • 需要重新设置 [由系统操作]
• 返回值
  • 
  • 根据handler而定

代码演示

服务端

tcp_server.h

• 
• 在指定端口上创建一个处于监听状态的快递员

tcp_server.c

• 
• 参照序号阅读
• 注意：head.h中添加socket相关的头文件，可在man手册中查找，这里不赘述

1.server.c

• 
• 
• accept可以获取客户端的地址信息
• 创建子进程单独用于传输数据
• 每一步都要注意有错误检测
  • +断开连接情况（FIN，recv返回为0）的处理
• 收发策略不同
  • 有多少发多少，能收多少收多少
  • send使用strlen，recv使用sizeof

客户端

tcp_client.h

• 
• 主动连接指定IP [点分十进制的ipv4字符串] 和端口

tcp_client.c

• 
• 填表基于输入

1.client.c

• 
• 
• 加入了对信号的捕捉
• bzero的使用，初始化buff变量

效果展示

• 
• 左：服务端，右：客户端 [可多用户]
• 建立连接、地址捕获、数据传输、断开连接
• 使用netstat可查看端口的监听状态
  • 
  • 添加-alnt选项
• [PS] 需要在云主机的控制台——安全组中开放端口8888

附加知识点

• IP：公共的地址服务，尽力而为交付服务。另一层含义，其不可靠 [有可能出车祸]

三次握手、四次挥手

• 
• 三次握手 [SYN、ACK]
  • 
  • 第一次握手：客户端发送SYN包到服务器[客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器确认]
  • 第二次握手：服务器收到，必须确认客户端，设置一个ACK，同时自己也设置一个SYN，即SYN+ACK包[服务端从LISTEN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ACK确认包，发送完毕后，客户端进入ESTABLISHED状态，服务器收到ACK后也进入ESTABLISHED状态
  • 注意：每次的ACK序号，在需要确认的包的序号上加一，表示确认
• 四次挥手 [FIN、ACK]
  • 
  • 第一次挥手：假设客户端想要关闭连接，客户端发送一个FIN包，表示自己已经没有数据可以发送了 [此时仍然可以接收数据][客户端进入FIN_WAIT_1状态]
  • 第二次挥手：服务端回复一个ACK包，表明自己接收到了客户端关闭连接的请求，但自己还需要做些准备来关闭连接[服务端进入CLOSE_WAIT状态]
    • 客户端接收到这个ACK后，进入FIN_WAIT_2状态，等待服务端关闭连接
  • 第三次挥手：服务端准备好关闭连接时，向客户端再发送FIN[服务端进入LAST_ACK状态，等待客户端的确认]
  • 第四次挥手：客户端接收到来自服务器端的关闭请求，发送一个ACK包[客户端进入 TIME_WAIT状态，为可能出现的超时重传的FIN包，等待2个MSL时间]
    • 服务端接收到这个ACK之后，关闭连接，进入CLOSED状态
    • 客户端等待了2个MSL后，如果没有收到服务端的FIN，则认为服务端已经正常关闭连接，于是自己也关闭连接，进入CLOSED状态；否则，再次发送ACK
• 参考三次握手与四次挥手——博客 [注：第四次挥手客户端等待的是超时重传的FIN而不是ACK]

附加：2个MSL的含义

TIME_WAIT是如何引起的，有什么作用，在编程时有什么弊端，怎么解决？

• 引起原因：TCP的四次挥手时，已经完成前三次挥手，在第四次挥手时，客户端收到来自服务端的FIN，它在发送一个ACK后，就会进入TIME_WAIT状态
  • 此时客户端需要等待两个最大数据段生命周期（Maximum segment lifetime，MSL）的时间之后，才会进入CLOSED状态
• 存在原因
  • ①阻止延迟数据段
    • 每一个TCP数据段都包含唯一的序列号，这个序列号能够保证TCP协议的可靠
    • 为了保证新TCP连接的数据段不会与还在网络中传输的历史连接的数据段重复，TCP连接在分配新的序列号之前需要至少静默数据段在网络中能够存活的最长时间，即MSL
    • 从而防止延迟的数据段被其他使用相同源地址、源端口、目的地址以及目的端口的TCP连接收到
  • ②保证连接关闭
    • 如果客户端等待的时间不够长，当服务端还没有收到ACK消息，而客户端重新与服务端建立TCP连接时，会发生：
      • 服务端因为没有收到ACK消息，所以仍然认为当前连接是合法的
      • 客户端重新发送SYN消息请求握手时，会收到服务端的RST消息，连接建立的过程被终止
    • 所以要保证TCP连接的远程被正确关闭，即等待被动关闭连接的一方收到FIN对应的ACK消息
• 编程影响
  • 对于高并发的场景容易出现过多的TIME_WAIT
  • 而MSL的时长一般是60s，这是难以接受的，可能一个TCP连接只为了通信几秒钟，但TIME_WAIT就需要等待2分钟
• 解决方式
  • 基于一个时间戳变量，记录发送数据包、最近一次接收数据包的时间
  • 然后配合两个参数
    • reuse：允许主动关闭连接的一方，再次向对方发起连接的时候，复用处于TIME_WAIT状态的连接
    • recycle：内核会快速回收处于TIME_WAIT的连接，只需等待RTO时间 [数据包重传的超时时间]
• 参考
  • 为什么 TCP 协议有 TIME_WAIT 状态——博客
  • 系统调优你所不知道的TIME_WAIT和CLOSE_WAIT——知乎
  • 理解TIME_WAIT，彻底弄清解决TCP: time wait bucket table overflow——亿速云

C语言下的socket编程

• 服务端：socket、sockaddr[_in]、bind、listen；accept、send/recv；close
• 客户端：socket、sockaddr[_in]、connect；send/recv；close
• 
• 基于TCP的流式套接字、基于UDP的数据报套接字
  • UDP服务端也需要bind IP与端口，但不需要listen，使用sendto、recvfrom来发、收信息
• sockaddr[_in]：保存socket信息的结构体，使用[_in]填写信息，再转换为sockaddr
• 服务端需要两个套接字，一个用来监听，一个用来接收客户端connect发送的套接字

输入kaikeba.com并按下回车

->到TCP建立连接，本地发送第一个request报文->到收到第一个request报文为止，发生了哪些事情？

• [宏观层面] DNS👉TCP连接 [应用层、传输层、网络层、数据链路层]👉服务器处理请求👉返回响应结果
• DNS
  • 本地hosts、本地DNS解析器缓存
  • 本地DNS
  • 迭代/递归：根DNS服务器，顶级DNS，权威DNS
  • 直到找到域名对应的IP
• TCP连接
  • 应用层：发送HTTP请求——请求方法、URL、HTTP版本
  • 传输层：与服务器进行三次握手
  • 网路层：ARP协议查询IP对应的MAC地址，如果在一个局域网内，就直接根据MAC地址发送请求；否则使用路由表，查找下一个跳转的地址，再访问对应的MAC地址
  • 数据链路层：以太网协议
  • 广播：向一个局域网中的所有机器发送请求，比较MAC地址
• Web服务器
  • 解析用户请求，知道了需要调度哪些资源文件，并调用数据库信息，返回给浏览器客户端
• 返回响应结果
  • 一般会有一个HTTP状态码，比如200、301、404等，通过这个状态码我们可以直到服务器端的处理是否正常，并能了解具体的错误
• ⭐ 推荐视频：TCP-IP Explained (2000)——Youtube
  • [主要从IP层展开]
  • 涉及对象：TCP包、ICMP Ping包、UDP包、死亡之Ping、路由器、路由器交换机...
  • 大致流程
    • 本地：封装包、本地传输、本地路由器选择、交换机选择、代理检查、防火墙检查、本地传输、路由器选择
    • ——>网络传输——>
    • 响应端：防火墙检查 [监管端口]、代理检查请求包、返回相应信息给请求端、同上述本地过程 [封装包、...、路由器选择]

端口复用相关

一个端口可以同时绑定不同的服务吗？

• 可以。接收数据时，根据五元组{传输协议，源IP，源端口，目的IP，目的端口}判断数据属性
• 例如：
  • 使用TCP和UDP传输协议监听同一个端口后，接收数据互不影响，不冲突
  • 同样，accept产生新的socket，还是用的同一个端口
    • 产生了多个不同的socket，这些socket里包含的目的IP和端口是不变的，变化的只是源IP和端口 [端口复用]
• [PS] TCP类型socket只给TCP类型发数据

父子进程的socket关系

父进程克隆出的子进程里的socket和父进程的socket的关系

• 是同一个，对应同一个文件
• 当有数据到来时，两个进程谁先收到数据则谁有该数据，另一个进程继续等待
• 所以一般地，子进程不需要的资源就不要继承，如：可使用close直接关闭子进程中继承自父进程的socket

Tips

• 系统/网络编程要考虑所有可能出错的地方
• 信号知识扩展：实现自己的sleep函数
• 编译时要记得考虑所有相关的源文件 [*.c]