什么是TCP/IP幅狮、UDP？

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

? UDP（User Data Protocol慌烧，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）是與TCP相對(duì)應(yīng)的協(xié)議逐抑。它是屬于TCP/IP協(xié)議族中的一種。

? ? 這里有一張圖屹蚊，表明了這些協(xié)議的關(guān)系厕氨。

Socket在哪里呢？

? ? ? 在上圖中汹粤，我們沒有看到Socket的影子命斧，那么它到底在哪里呢？還是用圖來說話玄括，一目了然冯丙。

1、網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通信遭京？　　

本地的進(jìn)程間通信（IPC）有很多種方式胃惜，但可以總結(jié)為下面4類：

消息傳遞（管道、FIFO哪雕、消息隊(duì)列）

同步（互斥量船殉、條件變量、讀寫鎖斯嚎、文件和寫記錄鎖利虫、信號(hào)量）

共享內(nèi)存（匿名的和具名的）

遠(yuǎn)程過程調(diào)用（Solaris門和Sun RPC）

　　但這些都不是本文的主題！我們要討論的是網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通信堡僻？首要解決的問題是如何唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程糠惫，否則通信無從談起！在本地可以通過進(jìn)程PID來唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程钉疫，但是在網(wǎng)絡(luò)中這是行不通的硼讽。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(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)牲阁，而傳輸層的“協(xié)議+端口”可以唯一標(biāo)識(shí)主機(jī)中的應(yīng)用程序（進(jìn)程）固阁。這樣利用三元組（ip地址，協(xié)議城菊，端口）就可以標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程了备燃，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）凌唬，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程之間的通信并齐。就目前而言，幾乎所有的應(yīng)用程序都是采用socket客税，而現(xiàn)在又是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代况褪，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”霎挟。

2窝剖、Socket是什么？

　　　上面我們已經(jīng)知道網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程是通過socket來通信的酥夭，那什么是socket呢赐纱？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲學(xué)之一就是“一切皆文件”熬北，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關(guān)閉close”模式來操作疙描。我的理解就是Socket就是該模式的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，socket即是一種特殊的文件讶隐，一些socket函數(shù)就是對(duì)其進(jìn)行的操作（讀/寫IO起胰、打開、關(guān)閉）巫延，這些函數(shù)我們?cè)诤竺孢M(jìn)行介紹效五。

3地消、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實(shí)現(xiàn)，那么socket就提供了這些操作對(duì)應(yīng)的函數(shù)接口畏妖。下面以TCP為例脉执，介紹幾個(gè)基本的socket接口函數(shù)。

3.1戒劫、socket()函數(shù)

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函數(shù)對(duì)應(yīng)于普通文件的打開操作半夷。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）迅细，它唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)socket巫橄。這個(gè)socket描述字跟文件描述字一樣，后續(xù)的操作都有用到它茵典，把它作為參數(shù)湘换，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)值敬尺，以打開不同的文件枚尼。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描述符砂吞，socket函數(shù)的三個(gè)參數(shù)分別為：

domain：即協(xié)議域署恍，又稱為協(xié)議族（family）。常用的協(xié)議族有蜻直，AF_INET盯质、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX概而，Unix域socket）呼巷、AF_ROUTE等等。協(xié)議族決定了socket的地址類型赎瑰，在通信中必須采用對(duì)應(yīng)的地址王悍，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號(hào)（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個(gè)絕對(duì)路徑名作為地址餐曼。

type：指定socket類型压储。常用的socket類型有，SOCK_STREAM源譬、SOCK_DGRAM集惋、SOCK_RAW、SOCK_PACKET踩娘、SOCK_SEQPACKET等等（socket的類型有哪些刮刑？）。

protocol：故名思意，就是指定協(xié)議雷绢。常用的協(xié)議有泛烙，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP习寸、IPPROTO_SCTP胶惰、IPPROTO_TIPC等傻工，它們分別對(duì)應(yīng)TCP傳輸協(xié)議霞溪、UDP傳輸協(xié)議、STCP傳輸協(xié)議中捆、TIPC傳輸協(xié)議（這個(gè)協(xié)議我將會(huì)單獨(dú)開篇討論Ｑ炱ァ）。

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

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

3.2允坚、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魂那。例如對(duì)應(yīng)AF_INET、AF_INET6就是把一個(gè)ipv4或ipv6地址和端口號(hào)組合賦給socket稠项。

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描述字涯雅，它是通過socket()函數(shù)創(chuàng)建了，唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)socket展运。bind()函數(shù)就是將給這個(gè)描述字綁定一個(gè)名字活逆。

addr：一個(gè)const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協(xié)議地址乐疆。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)議族的不同而不同划乖，如ipv4對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)）挤土，用于提供服務(wù)琴庵，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(hào)和自身的ip地址組合迷殿。這就是為什么通常服務(wù)器端在listen之前會(huì)調(diào)用bind()儿礼，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)庆寺。

復(fù)制代碼

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)序類型蚊夫，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)序懦尝。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)存的低地址端知纷，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)存的低地址端陵霉，低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端琅轧。

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踊挠，然后16～23bit乍桂，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節(jié)序效床。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)都要求以這種次序睹酌，因此它又稱作網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序。字節(jié)序剩檀，顧名思義字節(jié)的順序憋沿，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)沒有順序的問題了谨朝。

所以：在將一個(gè)地址綁定到socket的時(shí)候卤妒，請(qǐng)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字币。由于這個(gè)問題曾引發(fā)過血案则披！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洗出，所以請(qǐng)謹(jǐn)記對(duì)主機(jī)字節(jié)序不要做任何假定士复，務(wù)必將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序再賦給socket。

復(fù)制代碼

3.3翩活、listen()阱洪、connect()函數(shù)

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

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描述字蚌本，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)盔粹。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)類型的程癌，等待客戶的連接請(qǐng)求舷嗡。

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地址嵌莉，第三個(gè)參數(shù)為socket地址的長度进萄。客戶端通過調(diào)用connect函數(shù)來建立與TCP服務(wù)器的連接锐峭。

3.4中鼠、accept()函數(shù)

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

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

accept函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，第二個(gè)參數(shù)為指向struct sockaddr *的指針剂习，用于返回客戶端的協(xié)議地址蛮位，第三個(gè)參數(shù)為協(xié)議地址的長度。如果accpet成功鳞绕，那么其返回值是由內(nèi)核自動(dòng)生成的一個(gè)全新的描述字失仁，代表與返回客戶的TCP連接。

注意：accept的第一個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字们何，是服務(wù)器開始調(diào)用socket()函數(shù)生成的萄焦，稱為監(jiān)聽socket描述字；而accept函數(shù)返回的是已連接的socket描述字冤竹。一個(gè)服務(wù)器通常通常僅僅只創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)聽socket描述字拂封，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描述字鹦蠕，當(dāng)服務(wù)器完成了對(duì)某個(gè)客戶的服務(wù)冒签，相應(yīng)的已連接socket描述字就被關(guān)閉。

3.5钟病、read()萧恕、write()函數(shù)等

萬事具備只欠東風(fēng)霜定，至此服務(wù)器與客戶已經(jīng)建立好連接了±扰福可以調(diào)用網(wǎng)絡(luò)I/O進(jìn)行讀寫操作了望浩，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)惰说，這兩個(gè)函數(shù)是最通用的I/O函數(shù)磨德，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

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

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

? ? ? #include

#include

? ? ? 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)吆视，read返回實(shí)際所讀的字節(jié)數(shù)典挑，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)誤啦吧。如果錯(cuò)誤為EINTR說明讀是由中斷引起的赶熟，如果是ECONNREST表示網(wǎng)絡(luò)連接出了問題宛畦。

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變量蜈七。 在網(wǎng)絡(luò)程序中，當(dāng)我們向套接字文件描述符寫時(shí)有倆種可能转培。1)write的返回值大于0唾糯，表示寫了部分或者是全部的數(shù)據(jù)。2)返回的值小于0淮摔，此時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤私沮。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)誤和橙。如果為EPIPE表示網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)了問題(對(duì)方已經(jīng)關(guān)閉了連接)仔燕。

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

3.6仆百、close()函數(shù)

在服務(wù)器與客戶端建立連接之后厕隧，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描述字俄周，好比操作完打開的文件要調(diào)用fclose關(guān)閉打開的文件吁讨。

#include

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)程峦朗。該描述字不能再由調(diào)用進(jìn)程使用建丧，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波势，只有當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候翎朱，才會(huì)觸發(fā)TCP客戶端向服務(wù)器發(fā)送終止連接請(qǐng)求橄维。

4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解

我們知道tcp建立連接要進(jìn)行“三次握手”拴曲，即交換三個(gè)分組争舞。大致流程如下：

客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)SYN J

服務(wù)器向客戶端響應(yīng)一個(gè)SYN K，并對(duì)SYN J進(jìn)行確認(rèn)ACK J+1

客戶端再想服務(wù)器發(fā)一個(gè)確認(rèn)ACK K+1

只有就完了三次握手澈灼，但是這個(gè)三次握手發(fā)生在socket的那幾個(gè)函數(shù)中呢竞川？請(qǐng)看下圖：

圖1、socket中發(fā)送的TCP三次握手

從圖中可以看出叁熔，當(dāng)客戶端調(diào)用connect時(shí)委乌，觸發(fā)了連接請(qǐng)求，向服務(wù)器發(fā)送了SYN J包荣回，這時(shí)connect進(jìn)入阻塞狀態(tài)遭贸；服務(wù)器監(jiān)聽到連接請(qǐng)求，即收到SYN J包心软，調(diào)用accept函數(shù)接收請(qǐng)求向客戶端發(fā)送SYN K 壕吹，ACK J+1，這時(shí)accept進(jìn)入阻塞狀態(tài)糯累；客戶端收到服務(wù)器的SYN K 算利，ACK J+1之后，這時(shí)connect返回泳姐，并對(duì)SYN K進(jìn)行確認(rèn)；服務(wù)器收到ACK K+1時(shí)暂吉，accept返回胖秒，至此三次握手完畢，連接建立慕的。

總結(jié)：客戶端的connect在三次握手的第二個(gè)次返回阎肝，而服務(wù)器端的accept在三次握手的第三次返回。

5肮街、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解

　　面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程风题，及其涉及的socket函數(shù)。現(xiàn)在我們介紹socket中的四次握手釋放連接的過程嫉父，請(qǐng)看下圖：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖 2沛硅、socket中發(fā)送的TCP四次握手

圖示過程如下：

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绕辖；

另一端接收到FIN M之后摇肌，執(zhí)行被動(dòng)關(guān)閉，對(duì)這個(gè)FIN進(jìn)行確認(rèn)仪际。它的接收也作為文件結(jié)束符傳遞給應(yīng)用進(jìn)程围小，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)昵骤；

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肯适。這導(dǎo)致它的TCP也發(fā)送一個(gè)FIN N变秦；

接收到這個(gè)FIN的源發(fā)送端TCP對(duì)它進(jìn)行確認(rèn)。

這樣每個(gè)方向上都有一個(gè)FIN和ACK框舔。