1. 網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通信

進(jìn) 程通信的概念最初來源于單機(jī)系統(tǒng)。由于每個(gè)進(jìn)程都在自己的地址范圍內(nèi)運(yùn)行，為保證兩個(gè)相互通信的進(jìn)

程之間既互不干擾又協(xié)調(diào)一致工作，操作系統(tǒng)為進(jìn)程通信提供了相應(yīng)設(shè)施，如

UNIX BSD有：管道（pipe）、命名管道（named pipe）軟中斷信號（signal）

UNIX system V有：消息（message）、共享存儲(chǔ)區(qū)（shared memory）和信號量（semaphore)等.

他們都僅限于用在本機(jī)進(jìn)程之間通信。網(wǎng)間進(jìn)程通信要解決的是不同主機(jī)進(jìn)程間的相互通信問題（可把同機(jī)進(jìn)程通信看作是其中的特例）。為此，首先要解決的是網(wǎng)間進(jìn)程標(biāo)識問題。同一主機(jī)上，不同進(jìn)程可用進(jìn)程號（process ID）唯一標(biāo)識。但在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，各主機(jī)獨(dú)立分配的進(jìn)程號不能唯一標(biāo)識該進(jìn)程。例如，主機(jī)A賦于某進(jìn)程號5，在B機(jī)中也可以存在5號進(jìn)程，因此，“5號進(jìn)程”這句話就沒有意義了。 其次，操作系統(tǒng)支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議眾多，不同協(xié)議的工作方式不同，地址格式也不同。因此，網(wǎng)間進(jìn)程通信還要解決多重協(xié)議的識別問題。

其實(shí)TCP/IP協(xié)議族已經(jīng)幫我們解決了這個(gè)問題，網(wǎng)絡(luò)層的“ip地址”可以唯一標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，而傳輸層的“協(xié)議+端口”可以唯一標(biāo)識主機(jī)中的應(yīng)用程序（進(jìn)程）。這樣利用三元組（ip地址，協(xié)議，端口）就可以標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程了，網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程通信就可以利用這個(gè)標(biāo)志與其它進(jìn)程進(jìn)行交互。

使用TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用程序通常采用應(yīng)用編程接口：UNIX  BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經(jīng)被淘汰），來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應(yīng)用程序都是采用socket，而現(xiàn)在又是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程通信是無處不在，這就是我為什么說“一切皆socket”。

2. 什么是TCP/IP、UDP

 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議，是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議集，它是為廣域網(wǎng)（WANs）設(shè)計(jì)的。    

    TCP/IP協(xié)議存在于OS中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)通過OS提供，在OS中增加支持TCP/IP的系統(tǒng)調(diào)用——Berkeley套接字，如Socket，Connect，Send，Recv等

   UDP（User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）是與TCP相對應(yīng)的協(xié)議。它是屬于TCP/IP協(xié)議族中的一種。如圖：

  TCP/IP協(xié)議族包括運(yùn)輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層，而socket所在位置如圖，Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層。

3. Socket是什么

1、 socket套接字：

    socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲學(xué)之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關(guān)閉close”模式來操作。Socket就是該模式的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，        socket即是一種特殊的文件，一些socket函數(shù)就是對其進(jìn)行的操作（讀/寫IO、打開、關(guān)閉）.     說白了Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設(shè)計(jì)模式中，Socket其實(shí)就是一個(gè)門面模式，它把復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面，對用戶來說，一組簡單的接口就是全部，讓Socket去組織數(shù)據(jù)，以符合指定的協(xié)議。

      注意：其實(shí)socket也沒有層的概念，它只是一個(gè)facade設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用，讓編程變的更簡單。是一個(gè)軟件抽象層。在網(wǎng)絡(luò)編程中，我們大量用的都是通過socket實(shí)現(xiàn)的。

2、套接字描述符

         其實(shí)就是一個(gè)整數(shù)，我們最熟悉的句柄是0、1、2三個(gè)，0是標(biāo)準(zhǔn)輸入，1是標(biāo)準(zhǔn)輸出，2是標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出。0、1、2是整數(shù)表示的，對應(yīng)的FILE *結(jié)構(gòu)的表示就是stdin、stdout、stderr

套接字API最初是作為UNIX操作系統(tǒng)的一部分而開發(fā)的，所以套接字API與系統(tǒng)的其他I/O設(shè)備集成在一起。特別是，當(dāng)應(yīng)用程序要為因特網(wǎng)通信而創(chuàng)建一個(gè)套接字（socket）時(shí)，操作系統(tǒng)就返回一個(gè)小整數(shù)作為描述符（descriptor）來標(biāo)識這個(gè)套接字。然后，應(yīng)用程序以該描述符作為傳遞參數(shù)，通過調(diào)用函數(shù)來完成某種操作（例如通過網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)或接收輸入的數(shù)據(jù)）。

在許多操作系統(tǒng)中，套接字描述符和其他I/O描述符是集成在一起的，所以應(yīng)用程序可以對文件進(jìn)行套接字I/O或I/O讀/寫操作。

當(dāng)應(yīng)用程序要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)套接字時(shí)，操作系統(tǒng)就返回一個(gè)小整數(shù)作為描述符，應(yīng)用程序則使用這個(gè)描述符來引用該套接字需要I/O請求的應(yīng)用程序請求操作系統(tǒng)打開一個(gè)文件。操作系統(tǒng)就創(chuàng)建一個(gè)文件描述符提供給應(yīng)用程序訪問文件。從應(yīng)用程序的角度看，文件描述符是一個(gè)整數(shù)，應(yīng)用程序可以用它來讀寫文件。下圖顯示，操作系統(tǒng)如何把文件描述符實(shí)現(xiàn)為一個(gè)指針數(shù)組，這些指針指向內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

    對于每個(gè)程序系統(tǒng)都有一張單獨(dú)的表。精確地講，系統(tǒng)為每個(gè)運(yùn)行的進(jìn)程維護(hù)一張單獨(dú)的文件描述符表。當(dāng)進(jìn)程打開一個(gè)文件時(shí)，系統(tǒng)把一個(gè)指向此文件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針寫入文件描述符表，并把該表的索引值返回給調(diào)用者 。應(yīng)用程序只需記住這個(gè)描述符，并在以后操作該文件時(shí)使用它。操作系統(tǒng)把該描述符作為索引訪問進(jìn)程描述符表，通過指針找到保存該文件所有的信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

     針對套接字的系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

  1）、套接字API里有個(gè)函數(shù)socket，它就是用來創(chuàng)建一個(gè)套接字。套接字設(shè)計(jì)的總體思路是，單個(gè)系統(tǒng)調(diào)用就可以創(chuàng)建任何套接字，因?yàn)樘捉幼质窍喈?dāng)籠統(tǒng)的。一旦套接字創(chuàng)建后，應(yīng)用程序還需要調(diào)用其他函數(shù)來指定具體細(xì)節(jié)。例如調(diào)用socket將創(chuàng)建一個(gè)新的描述符條目：

2）、雖然套接字的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含很多字段，但是系統(tǒng)創(chuàng)建套接字后，大多數(shù)字字段沒有填寫。應(yīng)用程序創(chuàng)建套接字后在該套接字可以使用之前，必須調(diào)用其他的過程來填充這些字段。

3、文件描述符和文件指針的區(qū)別：

文件描述符：在linux系統(tǒng)中打開文件就會(huì)獲得文件描述符，它是個(gè)很小的正整數(shù)。每個(gè)進(jìn)程在PCB（Process Control Block）中保存著一份文件描述符表，文件描述符就是這個(gè)表的索引，每個(gè)表項(xiàng)都有一個(gè)指向已打開文件的指針。

文件指針：C語言中使用文件指針做為I/O的句柄。文件指針指向進(jìn)程用戶區(qū)中的一個(gè)被稱為FILE結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。FILE結(jié)構(gòu)包括一個(gè)緩沖區(qū)和一個(gè)文件描述符。而文件描述符是文件描述符表的一個(gè)索引，因此從某種意義上說文件指針就是句柄的句柄（在Windows系統(tǒng)上，文件描述符被稱作文件句柄）。

4. 基本的SOCKET接口函數(shù)

在生活中，A要電話給B，A撥號，B聽到電話鈴聲后提起電話，這時(shí)A和B就建立起了連接，A和B就可以講話了。等交流結(jié)束，掛斷電話結(jié)束此次交談。  打電話很簡單解釋了這工作原理：“open—write/read—close”模式。

服務(wù)器端先初始化Socket，然后與端口綁定(bind)，對端口進(jìn)行監(jiān)聽(listen)，調(diào)用accept阻塞，等待客戶端連接。在這時(shí)如果有個(gè)客戶端初始化一個(gè)Socket，然后連接服務(wù)器(connect)，如果連接成功，這時(shí)客戶端與服務(wù)器端的連接就建立了。客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請求，服務(wù)器端接收請求并處理請求，然后把回應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端讀取數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉連接，一次交互結(jié)束。

     這些接口的實(shí)現(xiàn)都是內(nèi)核來完成。具體如何實(shí)現(xiàn)，可以看看linux的內(nèi)核

4.1、socket()函數(shù)

int  socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd

    sockfd是描述符。

 socket函數(shù)對應(yīng)于普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個(gè)文件描述字，而socket()用于創(chuàng)建一個(gè)socket描述符（socket descriptor），它唯一標(biāo)識一個(gè)socket。這個(gè)socket描述字跟文件描述字一樣，后續(xù)的操作都有用到它，把它作為參數(shù)，通過它來進(jìn)行一些讀寫操作。

     正如可以給fopen的傳入不同參數(shù)值，以打開不同的文件。創(chuàng)建socket的時(shí)候，也可以指定不同的參數(shù)創(chuàng)建不同的socket描述符，socket函數(shù)的三個(gè)參數(shù)分別為：

• protofamily：即協(xié)議域，又稱為協(xié)議族（family）。常用的協(xié)議族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協(xié)議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對應(yīng)的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個(gè)絕對路徑名作為地址。
• type：指定socket類型。常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的類型有哪些？）。
• protocol：故名思意，就是指定協(xié)議。常用的協(xié)議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應(yīng)TCP傳輸協(xié)議、UDP傳輸協(xié)議、STCP傳輸協(xié)議、TIPC傳輸協(xié)議（這個(gè)協(xié)議我將會(huì)單獨(dú)開篇討論?。?。

注意：并不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當(dāng)protocol為0時(shí)，會(huì)自動(dòng)選擇type類型對應(yīng)的默認(rèn)協(xié)議。

當(dāng)我們調(diào)用socket創(chuàng)建一個(gè)socket時(shí)，返回的socket描述字它存在于協(xié)議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個(gè)具體的地址。如果想要給它賦值一個(gè)地址，就必須調(diào)用bind()函數(shù)，否則就當(dāng)調(diào)用connect()、listen()時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)隨機(jī)分配一個(gè)端口。

4.2、bind()函數(shù)

正如上面所說bind()函數(shù)把一個(gè)地址族中的特定地址賦給socket。例如對應(yīng)AF_INET、AF_INET6就是把一個(gè)ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

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

函數(shù)的三個(gè)參數(shù)分別為：

sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數(shù)創(chuàng)建了，唯一標(biāo)識一個(gè)socket。bind()函數(shù)就是將給這個(gè)描述字綁定一個(gè)名字。
addr：一個(gè)const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協(xié)議地址。這個(gè)地址結(jié)構(gòu)根據(jù)地址創(chuàng)建socket時(shí)的地址協(xié)議族的不同而不同，如ipv4對應(yīng)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對應(yīng)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?qū)?yīng)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：對應(yīng)的是地址的長度。

通常服務(wù)器在啟動(dòng)的時(shí)候都會(huì)綁定一個(gè)眾所周知的地址（如ip地址+端口號），用于提供服務(wù)，客戶就可以通過它來接連服務(wù)器；而客戶端就不用指定，有系統(tǒng)自動(dòng)分配一個(gè)端口號和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務(wù)器端在listen之前會(huì)調(diào)用bind()，而客戶端就不會(huì)調(diào)用，而是在connect()時(shí)由系統(tǒng)隨機(jī)生成一個(gè)。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序與主機(jī)字節(jié)序

主機(jī)字節(jié)序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節(jié)序類型，這些字節(jié)序是指整數(shù)在內(nèi)存中保存的順序，這個(gè)叫做主機(jī)序。引用標(biāo)準(zhǔn)的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：

a) Little-Endian就是低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

b) Big-Endian就是高位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序：4個(gè)字節(jié)的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節(jié)序。由于TCP/IP首部中所有的二進(jìn)制整數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)都要求以這種次序，因此它又稱作網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序。字節(jié)序，顧名思義字節(jié)的順序，就是大于一個(gè)字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放順序，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)沒有順序的問題了。

所以：在將一個(gè)地址綁定到socket的時(shí)候，請先將主機(jī)字節(jié)序轉(zhuǎn)換成為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序，而不要假定主機(jī)字節(jié)序跟網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序一樣使用的是Big-Endian。由于這個(gè)問題曾引發(fā)過血案！公司項(xiàng)目代碼中由于存在這個(gè)問題，導(dǎo)致了很多莫名其妙的問題，所以請謹(jǐn)記對主機(jī)字節(jié)序不要做任何假定，務(wù)必將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序再賦給socket。

4.3、listen()、connect()函數(shù)

如果作為一個(gè)服務(wù)器，在調(diào)用socket()、bind()之后就會(huì)調(diào)用listen()來監(jiān)聽這個(gè)socket，如果客戶端這時(shí)調(diào)用connect()發(fā)出連接請求，服務(wù)器端就會(huì)接收到這個(gè)請求。

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

listen函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)即為要監(jiān)聽的socket描述字，第二個(gè)參數(shù)為相應(yīng)socket可以排隊(duì)的最大連接個(gè)數(shù)。socket()函數(shù)創(chuàng)建的socket默認(rèn)是一個(gè)主動(dòng)類型的，listen函數(shù)將socket變?yōu)楸粍?dòng)類型的，等待客戶的連接請求。

connect函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)即為客戶端的socket描述字，第二參數(shù)為服務(wù)器的socket地址，第三個(gè)參數(shù)為socket地址的長度?？蛻舳送ㄟ^調(diào)用connect函數(shù)來建立與TCP服務(wù)器的連接。

4.4、accept()函數(shù)

TCP服務(wù)器端依次調(diào)用socket()、bind()、listen()之后，就會(huì)監(jiān)聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調(diào)用socket()、connect()之后就向TCP服務(wù)器發(fā)送了一個(gè)連接請求。TCP服務(wù)器監(jiān)聽到這個(gè)請求之后，就會(huì)調(diào)用accept()函數(shù)取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網(wǎng)絡(luò)I/O操作了，即類同于普通文件的讀寫I/O操作。

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

參數(shù)sockfd

參數(shù)sockfd就是上面解釋中的監(jiān)聽套接字，這個(gè)套接字用來監(jiān)聽一個(gè)端口，當(dāng)有一個(gè)客戶與服務(wù)器連接時(shí)，它使用這個(gè)一個(gè)端口號，而此時(shí)這個(gè)端口號正與這個(gè)套接字關(guān)聯(lián)。當(dāng)然客戶不知道套接字這些細(xì)節(jié)，它只知道一個(gè)地址和一個(gè)端口號。參數(shù)addr

這是一個(gè)結(jié)果參數(shù)，它用來接受一個(gè)返回值，這返回值指定客戶端的地址，當(dāng)然這個(gè)地址是通過某個(gè)地址結(jié)構(gòu)來描述的，用戶應(yīng)該知道這一個(gè)什么樣的地址結(jié)構(gòu)。如果對客戶的地址不感興趣，那么可以把這個(gè)值設(shè)置為NULL。參數(shù)len

如同大家所認(rèn)為的，它也是結(jié)果的參數(shù)，用來接受上述addr的結(jié)構(gòu)的大小的，它指明addr結(jié)構(gòu)所占有的字節(jié)個(gè)數(shù)。同樣的，它也可以被設(shè)置為NULL。

如果accept成功返回，則服務(wù)器與客戶已經(jīng)正確建立連接了，此時(shí)服務(wù)器通過accept返回的套接字來完成與客戶的通信。

注意：

     accept默認(rèn)會(huì)阻塞進(jìn)程，直到有一個(gè)客戶連接建立后返回，它返回的是一個(gè)新可用的套接字，這個(gè)套接字是連接套接字。

此時(shí)我們需要區(qū)分兩種套接字，

      監(jiān)聽套接字: 監(jiān)聽套接字正如accept的參數(shù)sockfd，它是監(jiān)聽套接字，在調(diào)用listen函數(shù)之后，是服務(wù)器開始調(diào)用socket()函數(shù)生成的，稱為監(jiān)聽socket描述字(監(jiān)聽套接字)

      連接套接字：一個(gè)套接字會(huì)從主動(dòng)連接的套接字變身為一個(gè)監(jiān)聽套接字；而accept函數(shù)返回的是已連接socket描述字(一個(gè)連接套接字)，它代表著一個(gè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在的點(diǎn)點(diǎn)連接。

       一個(gè)服務(wù)器通常通常僅僅只創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)聽socket描述字，它在該服務(wù)器的生命周期內(nèi)一直存在。內(nèi)核為每個(gè)由服務(wù)器進(jìn)程接受的客戶連接創(chuàng)建了一個(gè)已連接socket描述字，當(dāng)服務(wù)器完成了對某個(gè)客戶的服務(wù)，相應(yīng)的已連接socket描述字就被關(guān)閉。

       自然要問的是：為什么要有兩種套接字？原因很簡單，如果使用一個(gè)描述字的話，那么它的功能太多，使得使用很不直觀，同時(shí)在內(nèi)核確實(shí)產(chǎn)生了一個(gè)這樣的新的描述字。

連接套接字socketfd_new 并沒有占用新的端口與客戶端通信，依然使用的是與監(jiān)聽套接字socketfd一樣的端口號

4.5、read()、write()等函數(shù)

萬事具備只欠東風(fēng)，至此服務(wù)器與客戶已經(jīng)建立好連接了?？梢哉{(diào)用網(wǎng)絡(luò)I/O進(jìn)行讀寫操作了，即實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)咯中不同進(jìn)程之間的通信！網(wǎng)絡(luò)I/O操作有下面幾組：

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

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)是最通用的I/O函數(shù)，實(shí)際上可以把上面的其它函數(shù)都替換成這兩個(gè)函數(shù)。它們的聲明如下：

       #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函數(shù)是負(fù)責(zé)從fd中讀取內(nèi)容.當(dāng)讀成功時(shí)，read返回實(shí)際所讀的字節(jié)數(shù)，如果返回的值是0表示已經(jīng)讀到文件的結(jié)束了，小于0表示出現(xiàn)了錯(cuò)誤。如果錯(cuò)誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網(wǎng)絡(luò)連接出了問題。

write函數(shù)將buf中的nbytes字節(jié)內(nèi)容寫入文件描述符fd.成功時(shí)返回寫的字節(jié)數(shù)。失敗時(shí)返回-1，并設(shè)置errno變量。 在網(wǎng)絡(luò)程序中，當(dāng)我們向套接字文件描述符寫時(shí)有倆種可能。1)write的返回值大于0，表示寫了部分或者是全部的數(shù)據(jù)。2)返回的值小于0，此時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。我們要根據(jù)錯(cuò)誤類型來處理。如果錯(cuò)誤為EINTR表示在寫的時(shí)候出現(xiàn)了中斷錯(cuò)誤。如果為EPIPE表示網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)了問題(對方已經(jīng)關(guān)閉了連接)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數(shù)了，具體參見man文檔或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

4.6、close()函數(shù)

在服務(wù)器與客戶端建立連接之后，會(huì)進(jìn)行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關(guān)閉相應(yīng)的socket描述字，好比操作完打開的文件要調(diào)用fclose關(guān)閉打開的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close一個(gè)TCP socket的缺省行為時(shí)把該socket標(biāo)記為以關(guān)閉，然后立即返回到調(diào)用進(jìn)程。該描述字不能再由調(diào)用進(jìn)程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個(gè)參數(shù)。

注意：close操作只是使相應(yīng)socket描述字的引用計(jì)數(shù)-1，只有當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，才會(huì)觸發(fā)TCP客戶端向服務(wù)器發(fā)送終止連接請求。

5. Socket中TCP的建立（三次握手）

TCP協(xié)議通過三個(gè)報(bào)文段完成連接的建立，這個(gè)過程稱為三次握手(three-way handshake)，過程如下圖所示。

第一次握手：建立連接時(shí)，客戶端發(fā)送syn包(syn=j)到服務(wù)器，并進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器確認(rèn)；SYN：同步序列編號(Synchronize Sequence Numbers)。

第二次握手：服務(wù)器收到syn包，必須確認(rèn)客戶的SYN（ack=j+1），同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)；第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ack=k+1)，此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手。一個(gè)完整的三次握手也就是： 請求---應(yīng)答---再次確認(rèn)。對應(yīng)的函數(shù)接口：

從圖中可以看出，當(dāng)客戶端調(diào)用connect時(shí)，觸發(fā)了連接請求，向服務(wù)器發(fā)送了SYN J包，這時(shí)connect進(jìn)入阻塞狀態(tài)；服務(wù)器監(jiān)聽到連接請求，即收到SYN J包，調(diào)用accept函數(shù)接收請求向客戶端發(fā)送SYN K ，ACK J+1，這時(shí)accept進(jìn)入阻塞狀態(tài)；客戶端收到服務(wù)器的SYN K ，ACK J+1之后，這時(shí)connect返回，并對SYN K進(jìn)行確認(rèn)；服務(wù)器收到ACK K+1時(shí)，accept返回，至此三次握手完畢，連接建立。

我們可以通過網(wǎng)絡(luò)抓包的查看具體的流程：

比如我們服務(wù)器開啟9502的端口。使用tcpdump來抓包：

tcpdump -iany tcp port 9502

然后我們使用telnet 127.0.0.1 9502開連接.:

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 714:13:01.415432 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [.], ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 014:13:01.415747 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [P.], seq 1:19, ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 1814:13:01.415757 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 19, win 4097, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0

• 114:12:45.104687 時(shí)間帶有精確到微妙
• localhost.39870 > localhost.9502 表示通信的流向，39870是客戶端，9502是服務(wù)器端
• [S] 表示這是一個(gè)SYN請求
• [S.] 表示這是一個(gè)SYN+ACK確認(rèn)包:
  
• [.] 表示這是一個(gè)ACT確認(rèn)包， (client)SYN->(server)SYN->(client)ACT 就是3次握手過程
• [P] 表示這個(gè)是一個(gè)數(shù)據(jù)推送，可以是從服務(wù)器端向客戶端推送，也可以從客戶端向服務(wù)器端推
• [F] 表示這是一個(gè)FIN包，是關(guān)閉連接操作，client/server都有可能發(fā)起
• [R] 表示這是一個(gè)RST包，與F包作用相同，但RST表示連接關(guān)閉時(shí)，仍然有數(shù)據(jù)未被處理?？梢岳斫鉃槭菑?qiáng)制切斷連接
• win 4099 是指滑動(dòng)窗口大小
• length 18指數(shù)據(jù)包的大小
  
• 我們看到 （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
• 客戶端 IP localhost.39870?(客戶端的端口一般是自動(dòng)分配的) 向服務(wù)器 localhost.9502 發(fā)送syn包(syn=j)到服務(wù)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,
• 收到請求并確認(rèn)：服務(wù)器收到syn包，并必須確認(rèn)客戶的SYN（ack=j+1），同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包（syn=k），即SYN+ACK包：此時(shí)服務(wù)器主機(jī)自己的SYN：seq：y= syn seq 1721825043。ACK為j+1 =（ack=j+1）=ack 2927179379
• 第三次握手：
• 14:12:45.104711 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 1,
• 客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ack=k+1)
• 
  
• 客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)后，可以進(jìn)行通信數(shù)據(jù)交互。此時(shí)和accept接口沒有關(guān)系，即使沒有accepte，也進(jìn)行3次握手完成。
• 連 接出現(xiàn)連接不上的問題，一般是網(wǎng)路出現(xiàn)問題或者網(wǎng)卡超負(fù)荷或者是連接數(shù)已經(jīng)滿啦。
  
• 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

客戶端向服務(wù)器發(fā)送長度為7個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，

IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [.], ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0

服務(wù)器向客戶確認(rèn)已經(jīng)收到數(shù)據(jù)

IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [P.], seq 1:19, ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 18

然后服務(wù)器同時(shí)向客戶端寫入數(shù)據(jù)。

IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 19, win 4097, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0

客戶端向服務(wù)器確認(rèn)已經(jīng)收到數(shù)據(jù)

這個(gè)就是tcp可靠的連接，每次通信都需要對方來確認(rèn)。

6. TCP連接的終止（四次握手釋放）

建立一個(gè)連接需要三次握手，而終止一個(gè)連接要經(jīng)過四次握手，這是由TCP的半關(guān)閉(half-close)造成的，如圖：

由于TCP連接是全雙工的，因此每個(gè)方向都必須單獨(dú)進(jìn)行關(guān)閉。這個(gè)原則是當(dāng)一方完成它的數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后就能發(fā)送一個(gè)FIN來終止這個(gè)方向的連接。收到一個(gè) FIN只意味著這一方向上沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)，一個(gè)TCP連接在收到一個(gè)FIN后仍能發(fā)送數(shù)據(jù)。首先進(jìn)行關(guān)閉的一方將執(zhí)行主動(dòng)關(guān)閉，而另一方執(zhí)行被動(dòng)關(guān)閉。

（1）客戶端A發(fā)送一個(gè)FIN，用來關(guān)閉客戶A到服務(wù)器B的數(shù)據(jù)傳送（報(bào)文段4）。

（2）服務(wù)器B收到這個(gè)FIN，它發(fā)回一個(gè)ACK，確認(rèn)序號為收到的序號加1（報(bào)文段5）。和SYN一樣，一個(gè)FIN將占用一個(gè)序號。

（3）服務(wù)器B關(guān)閉與客戶端A的連接，發(fā)送一個(gè)FIN給客戶端A（報(bào)文段6）。

（4）客戶端A發(fā)回ACK報(bào)文確認(rèn)，并將確認(rèn)序號設(shè)置為收到序號加1（報(bào)文段7）。對應(yīng)函數(shù)接口如圖：

過程如下：

• 某個(gè)應(yīng)用進(jìn)程首先調(diào)用close主動(dòng)關(guān)閉連接，這時(shí)TCP發(fā)送一個(gè)FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，執(zhí)行被動(dòng)關(guān)閉，對這個(gè)FIN進(jìn)行確認(rèn)。它的接收也作為文件結(jié)束符傳遞給應(yīng)用進(jìn)程，因?yàn)镕IN的接收意味著應(yīng)用進(jìn)程在相應(yīng)的連接上再也接收不到額外數(shù)據(jù)；
• 一段時(shí)間之后，接收到文件結(jié)束符的應(yīng)用進(jìn)程調(diào)用close關(guān)閉它的socket。這導(dǎo)致它的TCP也發(fā)送一個(gè)FIN N；
• 接收到這個(gè)FIN的源發(fā)送端TCP對它進(jìn)行確認(rèn)。

這樣每個(gè)方向上都有一個(gè)FIN和ACK。

1．為什么建立連接協(xié)議是三次握手，而關(guān)閉連接卻是四次握手呢？

這是因?yàn)榉?wù)端的LISTEN狀態(tài)下的SOCKET當(dāng)收到SYN報(bào)文的建連請求后，它可以把ACK和SYN（ACK起應(yīng)答作用，而SYN起同步作用）放在一個(gè)報(bào)文里來發(fā)送。但關(guān)閉連接時(shí)，當(dāng)收到對方的FIN報(bào)文通知時(shí)，它僅僅表示對方?jīng)]有數(shù)據(jù)發(fā)送給你了；但未必你所有的數(shù)據(jù)都全部發(fā)送給對方了，所以你可以未必會(huì)馬上會(huì)關(guān)閉SOCKET,也即你可能還需要發(fā)送一些數(shù)據(jù)給對方之后，再發(fā)送FIN報(bào)文給對方來表示你同意現(xiàn)在可以關(guān)閉連接了，所以它這里的ACK報(bào)文和FIN報(bào)文多數(shù)情況下都是分開發(fā)送的。

2．為什么TIME_WAIT狀態(tài)還需要等2MSL后才能返回到CLOSED狀態(tài)？

這是因?yàn)殡m然雙方都同意關(guān)閉連接了，而且握手的4個(gè)報(bào)文也都協(xié)調(diào)和發(fā)送完畢，按理可以直接回到CLOSED狀態(tài)（就好比從SYN_SEND狀態(tài)到ESTABLISH狀態(tài)那樣）；但是因?yàn)槲覀儽仨氁傧刖W(wǎng)絡(luò)是不可靠的，你無法保證你最后發(fā)送的ACK報(bào)文會(huì)一定被對方收到，因此對方處于LAST_ACK狀態(tài)下的SOCKET可能會(huì)因?yàn)槌瑫r(shí)未收到ACK報(bào)文，而重發(fā)FIN報(bào)文，所以這個(gè)TIME_WAIT狀態(tài)的作用就是用來重發(fā)可能丟失的ACK報(bào)文。

7. Socket編程實(shí)例

服務(wù)器端：一直監(jiān)聽本機(jī)的8000號端口，如果收到連接請求，將接收請求并接收客戶端發(fā)來的消息，并向客戶端返回消息。

/* 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地址設(shè)置成INADDR_ANY,讓系統(tǒng)自動(dòng)獲取本機(jī)的IP地址。  
    servaddr.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);//設(shè)置的端口為DEFAULT_PORT  
  
    //將本地地址綁定到所創(chuàng)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);  
    }  
    //開始監(jiān)聽是否有客戶端連接  
    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){  
//阻塞直到有客戶端連接，不然多浪費(fèi)CPU資源。  
        if( (connect_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){  
        printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);  
        continue;  
    }  
//接受客戶端傳過來的數(shù)據(jù)  
    n = recv(connect_fd, buff, MAXLINE, 0);  
//向客戶端發(fā)送回應(yīng)數(shù)據(jù)  
    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);  
}  

/* 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地址轉(zhuǎn)換函數(shù)，可以在將IP地址在“點(diǎn)分十進(jìn)制”和“整數(shù)”之間轉(zhuǎn)換 ，是inet_addr的擴(kuò)展。

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);//轉(zhuǎn)換字符串到網(wǎng)絡(luò)地址:  

第一個(gè)參數(shù)af是地址族，轉(zhuǎn)換后存在dst中
   af = AF_INET:src為指向字符型的地址，即ASCII的地址的首地址（ddd.ddd.ddd.ddd格式的），函數(shù)將該地址轉(zhuǎn)換為in_addr的結(jié)構(gòu)體，并復(fù)制在*dst中
af =AF_INET6:src為指向IPV6的地址，函數(shù)將該地址轉(zhuǎn)換為in6_addr的結(jié)構(gòu)體，并復(fù)制在*dst中
如果函數(shù)出錯(cuò)將返回一個(gè)負(fù)值，并將errno設(shè)置為EAFNOSUPPORT，如果參數(shù)af指定的地址族和src格式不對，函數(shù)將返回0。

測試：

編譯server.c

gcc -o server server.c

啟動(dòng)進(jìn)程：

./server

顯示結(jié)果：

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

并等待客戶端連接。

編譯 client.c

gcc -o client server.c

客戶端去連接server：

./client 127.0.0.1

等待輸入消息

發(fā)送一條消息，輸入：c++

此時(shí)服務(wù)器端看到：

客戶端收到消息：

其實(shí)可以不用client,可以使用telnet來測試：

telnet 127.0.0.1 8000

注意：

在ubuntu 編譯源代碼的時(shí)候，頭文件types.h可能找不到。使用dpkg -L libc6-dev | grep types.h 查看。如果沒有，可以使用apt-get install libc6-dev安裝。如果有了，但不在/usr/include/sys/目錄下，手動(dòng)把這個(gè)文件添加到這個(gè)目錄下就可以了。