套接口.txt

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套接口（sockets）
在本专题的前面几个部分，如消息队列、信号灯、共享内存等，都是基于Sys V的IPC机制进行讨论的，它们的应用局限在单一计算机内的进程间通信；基于BSD套接口不仅可以实现单机内的进程间通信，还可以实现不同计算机进程之间的通信。本文将主要介绍BSD套接口（sockets），以及基于套接口的重要而基本的API。
一个套接口可以看作是进程间通信的端点（endpoint），每个套接口的名字都是唯一的（唯一的含义是不言而喻的），其他进程可以发现、连接并且与之通信。通信域用来说明套接口通信的协议，不同的通信域有不同的通信协议以及套接口的地址结构等等，因此，创建一个套接口时，要指明它的通信域。比较常见的是unix域套接口（采用套接口机制实现单机内的进程间通信）及网际通信域。
1、背景知识
linux目前的网络内核代码主要基于伯克利的BSD的unix实现，整个结构采用的是一种面向对象的分层机制。层与层之间有严格的接口定义。这里我们引用[1]中的一个图表来描述linux支持的一些通信协议：

我们这里只关心IPS，即因特网协议族，也就是通常所说的TCP/IP网络。我们这里假设读者具有网络方面的一些背景知识，如了解网络的分层结构，通常所说的7层结构；了解IP地址以及路由的一些基本知识。
目前linux网络API是基于BSD套接口的（系统V提供基于流I/O子系统的用户接口，但是linux内核目前不支持流I/O子系统）。套接口可以说是网络编程中一个非常重要的概念，linux以文件的形式实现套接口，与套接口相应的文件属于sockfs特殊文件系统，创建一个套接口就是在sockfs中创建一个特殊文件，并建立起为实现套接口功能的相关数据结构。换句话说，对每一个新创建的BSD套接口，linux内核都将在sockfs特殊文件系统中创建一个新的inode。描述套接口的数据结构是socket，将在后面给出。
2、重要数据结构
下面是在网络编程中比较重要的几个数据结构，读者可以在后面介绍编程API部分再回过头来了解它们。
（1）表示套接口的数据结构struct socket
套接口是由socket数据结构代表的，形式如下：

struct socket
{
socket_state  state; 		/* 指明套接口的连接状态，一个套接口的连接状态可以有以下几种
套接口是空闲的，还没有进行相应的端口及地址的绑定；还没有连接；正在连接中；已经连接；正在解除连接。 */
	unsigned long		flags;
	struct proto_ops	ops;  /* 指明可对套接口进行的各种操作 */
	struct inode		inode;		/* 指向sockfs文件系统中的相应inode */
	struct fasync_struct	*fasync_list;	/* Asynchronous wake up list	*/
	struct file		*file;					/* 指向sockfs文件系统中的相应文件	*/
struct sock		sk;  /* 任何协议族都有其特定的套接口特性，该域就指向特定协议族的套接口对
象。 */
	wait_queue_head_t	wait;
	short			type;
	unsigned char		passcred;
};

（2）描述套接口通用地址的数据结构struct sockaddr
由于历史的缘故，在bind、connect等系统调用中，特定于协议的套接口地址结构指针都要强制转换成该通用的套接口地址结构指针。结构形式如下：

struct sockaddr {
	sa_family_t	sa_family;	/* address family, AF_xxx	*/
	char		sa_data[14];	/* 14 bytes of protocol address	*/
};

（3）描述因特网地址结构的数据结构struct sockaddr_in（这里局限于IP4）：

struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);	/* 描述协议族 */
    in_port_t sin_port;			/* 端口号 */
    struct in_addr sin_addr;		/* 因特网地址 */
    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
			   __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
			   sizeof (in_port_t) -
			   sizeof (struct in_addr)];
  };

一般来说，读者最关心的是前三个域，即通信协议、端口号及地址。
3、套接口编程的几个重要步骤：
（1）创建套接口，由系统调用socket实现：

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

参数domain指明通信域，如PF_UNIX（unix域），PF_INET（IPv4），PF_INET6(IPv6)等；type指明通信类型，如SOCK_STREAM(面向连接方式)、SOCK_DGRAM(非面向连接方式)等。一般来说，参数protocol可设置为0，除非用在原始套接口上（原始套接口有一些特殊功能，后面还将介绍）。
注：socket（）系统调用为套接口在sockfs文件系统中分配一个新的文件和dentry对象，并通过文件描述符把它们与调用进程联系起来。进程可以像访问一个已经打开的文件一样访问套接口在sockfs中的对应文件。但进程绝不能调用open()来访问该文件（sockfs文件系统没有可视安装点，其中的文件永远不会出现在系统目录树上），当套接口被关闭时，内核会自动删除sockfs中的inodes。
（2）绑定地址
根据传输层协议（TCP、UDP）的不同，客户机及服务器的处理方式也有很大不同。但是，不管通信双方使用何种传输协议，都需要一种标识自己的机制。
通信双方一般由两个方面标识：地址和端口号（通常，一个IP地址和一个端口号常常被称为一个套接口）。根据地址可以寻址到主机，根据端口号则可以寻址到主机提供特定服务的进程，实际上，一个特定的端口号代表了一个提供特定服务的进程。
对于使用TCP传输协议通信方式来说，通信双方需要给自己绑定一个唯一标识自己的套接口，以便建立连接；对于使用UDP传输协议，只需要服务器绑定一个标识自己的套接口就可以了，用户则不需要绑定(在需要时，如调用connect时[注1]，内核会自动分配一个本地地址和本地端口号)。绑定操作由系统调用bind()完成：

int bind( int sockfd, const struct sockaddr * my_addr, socklen_t my_addr_len)

第二个参数对于Ipv4来说，实际上需要填充的结构是struct sockaddr_in，前面已经介绍了该结构。这里只想强调该结构的第一个域，它表明该套接口使用的通信协议，如AF_INET。联系socket系统调用的第一个参数，读者可能会想到PF_INET与AF_INET究竟有什么不同？实际上，原来的想法是每个通信域（如PF_INET）可能对应多个协议（如AF_INET），而事实上支持多个协议的通信域一直没有实现。因此，在linux内核中，AF_***与PF_***被定义为同一个常数，因此，在编程时可以不加区分地使用他们。
注1：在采用非面向连接通信方式时，也会用到connect()调用，不过与在面向连接中的connect（）调用有本质的区别：在非面向连接通信中，connect调用只是先设置一下对方的地址，内核为本地套接口记下对方的地址，然后采用send()来发送数据，这样避免每次发送时都要提供相同的目的地址。其中的connect()调用不涉及握手过程；而在面向连接的通信方式中，connect()要完成一个严格的握手过程。
（3）请求建立连接（由TCP客户发起）
对于采用面向连接的传输协议TCP实现通信来说，一个比较重要的步骤就是通信双方建立连接（如果采用udp传输协议则不需要），由系统调用connect()完成：

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

第一个参数为本地调用socket后返回的描述符，第二个参数为服务器的地址结构指针。connect（）向指定的套接口请求建立连接。
注：与connect（）相对应，在服务器端，通过系统调用listen()，指定服务器端的套接口为监听套接口，监听每一个向服务器套接口发出的连接请求，并通过握手机制建立连接。内核为listen()维护两个队列：已完成连接队列和未完成连接队列。
（4）接受连接请求（由TCP服务器端发起）
服务器端通过监听套接口，为所有连接请求建立了两个队列：已完成连接队列和未完成连接队列（每个监听套接口都对应这样两个队列，当然，一般服务器只有一个监听套接口）。通过accept()调用，服务器将在监听套接口的已连接队列头中，返回用于代表当前连接的套接口描述字。

int accept( int sockfd, struct sockaddr * cliaddr, socklen_t * addrlen)

第一个参数指明哪个监听套接口，一般是由listen（）系统调用指定的（由于每个监听套接口都对应已连接和未连接两个队列，因此它的内部机制实质是通过sockfd指定在哪个已连接队列头中返回一个用于当前客户的连接，如果相应的已连接队列为空，accept进入睡眠）。第二个参数指明客户的地址结构，如果对客户的身份不感兴趣，可指定其为空。
注：对于采用TCP传输协议进行通信的服务器和客户机来说，一定要经过客户请求建立连接，服务器接受连接请求这一过程；而对采用UDP传输协议的通信双方则不需要这一步骤。
（5）通信