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编程问答

UNIX网络套接字相关总结

發布時間：2023/12/14 编程问答 31 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 UNIX网络套接字相关总结小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

文章目錄

- 網絡協議
- - RFC 相關文檔
  - 網絡 ip 層
  - - ip 頭部
  - 傳輸層
  - - tcp
    - - 相關概念
      - MSL是Maximum Segment Lifetime,“報文最大生存時間”
        MSS：Maximum Segment Size
        RTT：Round Trip Time
        RTO：Retransmission TimeOut
      - /proc/sys/net/ipv4/
      - tcp 頭部
      - tcp 狀態轉換圖
      - tcp 定時器
      - 流量控制和滑動窗口
      - 擁塞控制和擁塞窗口
      - tcp 延時 ACK
      - Time-wait狀態(2MSL)
      - 1. 為什么需要TIME_WAIT狀態
- linux網絡編程
- - 相關概念
  - 套接字地址結構
  - - struct in_addr
    - struct sockaddr和struct sockaddr_in
  - 字節排序函數
  - 地址轉換函數:
  - - 1. in_addr_t inet_addr(const char *cp)函數轉換標準的ASCII以點分十進制的地址值返回為網絡字節序二進制值
    - 2. int inet_aton(const char *__cp, in_addr *__inp)轉換標準的ASCII以點分十進制的地址值返回網絡字節序二進制值
    - 3. char *inet_ntoa (struct in_addr __in)函數轉換網絡字節序二進制值返回標準的ASCII以點分十進制的地址值
    - 4. 代碼示例：
    - 1. int inet_pton(int domain, const char *str, void *addr)將標準的ASCII以點分十進制的地址值轉化為網絡傳輸的二進制數值格式
    - 2. const char *inet_ntop(int domain, const void *addr, char *str, socklen_t size)將網絡傳輸的二進制數值轉化標準的ASCII以點分十進制的地址值格式
    - 3. 代碼示例：
  - TCP通信相關函數
  - - 1. int socket(family, type, protocol)：創建套接字
    - 2. int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)：綁定套接字
    - 3. int listen(int fd,int backlog)：設置同時通信的最大套接字數量
    - 4. int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)阻塞式監聽客戶端連接
    - 5. int connect(int sockfd, const strcut sockaddr *addr, socklen_t addrlen)用來客戶端和tcp服務器建立連接
    - 5. ssize_t read(int fd,void *ptr,size_t nbytes)一次讀取指定字節長度數據
    - 6. ssize_t write(int fd,const void *ptr,size_t nbytes)一次寫入指定字節長度數據
    - 7. ssize_t Readn(int fd,void *vptr,size_t n);循環讀取n個字節數據
    - 8. ssize_t Writen(int fd,const void*vptr,size_t n)循環寫入n個字節數據
    - 9. ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen) 讀到'\n'或者讀滿緩沖區才返回
    - 10. int close(int fd) 關閉套接字
    - 11. shutdown()函數切斷進程共享的套接字的所有連接
    - 12. recv()和send()函數
  - UDP通信相關函數
  - - 1. recvfrom()函數
    - 2. sendto()函數
  - UDP組播通信相關函數
  - 常見的錯誤碼
- 參考文獻

網絡協議

RFC 相關文檔

RFC官網
RFC 791：INTERNET PROTOCOL
RFC 793：Transmission Control Protocol

網絡 ip 層

ip 頭部

ip消息頭可分為 20 個字節的固定頭部和最多40字節可擴展頭：

Version	4bit	值為4時代表IPV4；值為6時代表IPV6
IHL	4bit	ip消息頭可分為20個字節的固定頭部40字節可擴展頭
Type of Service	8bit	服務類型，只有在有QoS差分服務要求時這個字段才起作用
Total Length	16bit	代表總長度，整個IP數據報的長度，包括首部和數據之和，單位為字節，最長65535，總長度必須不超過最大傳輸單元MTU
Identification	16bit	標識，主機每發一個報文值會加1，分片重組時會用到該字段
Flags	3bit	分片重裝時使用：第一位，為0，第二位，DF（Don’t Fragment），能否分片位，0表示可以分片，1表示不能分片；第三位MF（More Fragment），表示是否該報文為最后一片，0表示最后一片，1代表后面還有
Fragment Offset	13bit	片偏移：分片重組時會用到該字段。表示較長的分組在分片后，某片在原分組中的相對位置
Time to Live	8bit	生存時間可經過的最多路由數，即數據包在網絡中可通過的路由器數的最大值
Protocol	8bit	標識下一層協議
Header Checksum	16bit	首部校驗和，只檢驗數據包的首部，不檢驗數據部分
Source Address	32bi	源IP地址
Destination Address	32bit	目的IP地址。
Options	長度可變	選項字段，用來支持排錯，測量以及安全等措施。
Padding	長度可變	填充字段，全為0

傳輸層

tcp

/proc/sys/net/ipv4/

參考：/proc/sys/net/ipv4/下網絡參數的理解以及sysctl命令修改內核參數

tcp 頭部

TCP Header Format0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Source Port | Destination Port |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Sequence Number |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Acknowledgment Number |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Data | |U|A|P|R|S|F| || Offset| Reserved |R|C|S|S|Y|I| Window || | |G|K|H|T|N|N| |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Checksum | Urgent Pointer |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Options | Padding |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| data |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+TCP Header Format

端口號：用來標識同一臺計算機的不同的應用進程。
1）源端口：源端口和IP地址的作用是標識報文的返回地址。
2）目的端口：端口指明接收方計算機上的應用程序接口。

TCP報頭中的源端口號和目的端口號同IP數據報中的源IP與目的IP唯一確定一條TCP連接

序號和確認號：是TCP可靠傳輸的關鍵部分
1）序號是本報文段發送的數據組的第一個字節的序號。在TCP傳送的流中，每一個字節一個序號。e.g.一個報文段的序號為300，此報文段數據部分共有100字節，則下一個報文段的序號為400。所以序號確保了TCP傳輸的有序性。
2）確認號，即ACK，指明下一個期待收到的字節序號，表明該序號之前的所有數據已經正確無誤的收到。確認號只有當ACK標志為1時才有效。比如建立連接時，SYN報文的ACK標志位為0。

數據偏移／首部長度：4bits
由于首部可能含有可選項內容，因此TCP報頭的長度是不確定的，報頭不包含任何任選字段則長度為20字節，4位首部長度字段所能表示的最大值為1111，轉化為10進制為15，15*32/8 = 60，故報頭最大長度為60字節。首部長度也叫數據偏移，是因為首部長度實際上指示了數據區在報文段中的起始偏移值。

保留：為將來定義新的用途保留，現在一般置0。

控制位：URG ACK PSH RST SYN FIN，共6個，每一個標志位表示一個控制功能。

1）URG：緊急指針標志，為1時表示緊急指針有效，為0則忽略緊急指針。

2）ACK：確認序號標志，為1時表示確認號有效，為0表示報文中不含確認信息，忽略確認號字段。

3）PSH：push標志，為1表示是帶有push標志的數據，指示接收方在接收到該報文段以后，應盡快將這個報文段交給應用程序，而不是在緩沖區排隊。

4）RST：重置連接標志，用于重置由于主機崩潰或其他原因而出現錯誤的連接。或者用于拒絕非法的報文段和拒絕連接請求。

5）SYN：同步序號，用于建立連接過程，在連接請求中，SYN=1和ACK=0表示該數據段沒有使用捎帶的確認域，而連接應答捎帶一個確認，即SYN=1和ACK=1。

6）FIN：finish標志，用于釋放連接，為1時表示發送方已經沒有數據發送了，即關閉本方數據流。

窗口：滑動窗口大小，用來告知發送端接受端的緩存大小，以此控制發送端發送數據的速率，從而達到流量控制。窗口大小時一個16bit字段，因而窗口大小最大為65535。

校驗和：奇偶校驗，此校驗和是對整個的 TCP 報文段，包括 TCP 頭部和 TCP 數據，以 16 位字進行計算所得。由發送端計算和存儲，并由接收端進行驗證。

緊急指針：只有當 URG標志置1時緊急指針才有效。緊急指針是一個正的偏移量，和順序號字段中的值相加表示緊急數據最后一個字節的序號。TCP的緊急方式是發送端向另一端發送緊急數據的一種方式。傳輸層協議使用帶外數據(out-of-band,OOB)來發送一些重要的數據,如果通信一方有重要的數據需要通知對方時,協議能夠將這些數據快速地發送到對方.為了發送這些數據,協議一般不使用與普通數據相同的通道,而是使用另外的通道.linux系統的套接字機制支持低層協議發送和接受帶外數據.但是TCP協議沒有真正意義上的帶外數據.為了發送重要協議,TCP提供了一種稱為緊急模式(urgentmode)的機制.TCP協議在數據段中設置URG位,表示進入緊急模式.接收方可以對緊急模式采取特殊的處理.很容易看出來,這種方式數據不容易被阻塞,可以通過在我們的服務器端程序里面捕捉SIGURG信號來及時接受數據或者使用帶OOB標志的recv函數來接受

選項和填充：最常見的可選字段是最長報文大小，又稱為MSS（Maximum Segment Size），每個連接方通常都在通信的第一個報文段（為建立連接而設置SYN標志為1的那個段）中指明這個選項，它表示本端所能接受的最大報文段的長度。選項長度不一定是32位的整數倍，所以要加填充位，即在這個字段中加入額外的零，以保證TCP頭是32的整數倍。

數據部分： TCP 報文段中的數據部分是可選的。在一個連接建立和一個連接終止時，雙方交換的報文段僅有 TCP 首部。如果一方沒有數據要發送，也使用沒有任何數據的首部來確認收到的數據。在處理超時的許多情況中，也會發送不帶任何數據的報文段

可選項：

選項的第一個字段kind說明選項的類型。有的TCP選項沒有后面兩個字段，僅包含1字節的kind字段
第二個字段length（如果有的話）指定該選項的總長度，該長度包括kind字段和length字段占據的2字節
第三個字段info（如果有的話）是選項的具體信息。常見的TCP選項有7種，

Currently defined options include (kind indicated in octal):Kind Length Meaning---- ------ -------0 - End of option list.1 - No-Operation.2 4 Maximum Segment Size.Specific Option DefinitionsEnd of Option List+--------+|00000000|+--------+Kind=0

kind=0是選項表結束選項。
kind=1是空操作（nop）選項，沒有特殊含義，一般用于將TCP選項的總長度填充為4字節的整數倍。
kind=2是最大報文段長度選項。TCP連接初始化時，通信雙方使用該選項來協商最大報文段長度（Max Segment Size，MSS）。TCP模塊通常將MSS設置為（MTU-40）字節（減掉的這40字節包括20字節的TCP頭部和20字節的IP頭部）。這樣攜帶TCP報文段的IP數據報的長度就不會超過MTU（假設TCP頭部和IP頭部都不包含選項字段，并且這也是一般情況），從而避免本機發生IP分片。對以太網而言，MSS值是1460（1500-40）字節。
kind=3是窗口擴大因子選項。TCP連接初始化時，通信雙方使用該選項來協商接收通告窗口的擴大因子。在TCP的頭部中，接收通告窗口大小是用16位表示的，故最大為65535字節，但實際上TCP模塊允許的接收通告窗口大小遠不止這個數（為了提高TCP通信的吞吐量）。窗口擴大因子解決了這個問題。假設TCP頭部中的接收通告窗口大小是N，窗口擴大因子（移位數）是M，那么TCP報文段的實際接收通告窗口大小是N乘2M，或者說N左移M位。注意，M的取值范圍是0～14。我們可以通過修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_window_scaling內核變量來啟用或關閉窗口擴大因子選項。和MSS選項一樣，窗口擴大因子選項只能出現在同步報文段中，否則將被忽略。但同步報文段本身不執行窗口擴大操作，即同步報文段頭部的接收通告窗口大小就是該TCP報文段的實際接收通告窗口大小。當連接建立好之后，每個數據傳輸方向的窗口擴大因子就固定不變了。關于窗口擴大因子選項的細節，可參考標準文檔RFC 1323。
kind=4是選擇性確認（Selective Acknowledgment，SACK）選項。TCP通信時，如果某個TCP報文段丟失，則TCP模塊會重傳最后被確認的TCP報文段后續的所有報文段，這樣原先已經正確傳輸的TCP報文段也可能重復發送，從而降低了TCP性能。SACK技術正是為改善這種情況而產生的，它使TCP模塊只重新發送丟失的TCP報文段，不用發送所有未被確認的TCP報文段。選擇性確認選項用在連接初始化時，表示是否支持SACK技術。我們可以通過修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_sack內核變量來啟用或關閉選擇性確認選項。
kind=5是SACK實際工作的選項。該選項的參數告訴發送方本端已經收到并緩存的不連續的數據塊，從而讓發送端可以據此檢查并重發丟失的數據塊。每個塊邊沿（edge of block）參數包含一個4字節的序號。其中塊左邊沿表示不連續塊的第一個數據的序號，而塊右邊沿則表示不連續塊的最后一個數據的序號的下一個序號。這樣一對參數（塊左邊沿和塊右邊沿）之間的數據是沒有收到的。因為一個塊信息占用8字節，所以TCP頭部選項中實際上最多可以包含4個這樣的不連續數據塊（考慮選項類型和長度占用的2字節）。
kind=8是時間戳選項。該選項提供了較為準確的計算通信雙方之間的回路時間（Round Trip Time，RTT）的方法，從而為TCP流量控制提供重要信息。我們可以通過修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_timestamps內核變量來啟用或關閉時間戳選項。

tcp 狀態轉換圖

+---------+ ---------\ active OPEN | CLOSED | \ ----------- +---------+<---------\ \ create TCB | ^ \ \ snd SYN passive OPEN | | CLOSE \ \ ------------ | | ---------- \ \ create TCB | | delete TCB \ \ V | \ \ +---------+ CLOSE | \ | LISTEN | ---------- | | +---------+ delete TCB | | rcv SYN | | SEND | | ----------- | | ------- | V +---------+ snd SYN,ACK / \ snd SYN +---------+| |<----------------- ------------------>| || SYN | rcv SYN | SYN || RCVD |<-----------------------------------------------| SENT || | snd ACK | || |------------------ -------------------| |+---------+ rcv ACK of SYN \ / rcv SYN,ACK +---------+| -------------- | | ----------- | x | | snd ACK | V V | CLOSE +---------+ | ------- | ESTAB | | snd FIN +---------+ | CLOSE | | rcv FIN V ------- | | ------- +---------+ snd FIN / \ snd ACK +---------+| FIN |<----------------- ------------------>| CLOSE || WAIT-1 |------------------ | WAIT |+---------+ rcv FIN \ +---------+| rcv ACK of FIN ------- | CLOSE | | -------------- snd ACK | ------- | V x V snd FIN V +---------+ +---------+ +---------+|FINWAIT-2| | CLOSING | | LAST-ACK|+---------+ +---------+ +---------+| rcv ACK of FIN | rcv ACK of FIN | | rcv FIN -------------- | Timeout=2MSL -------------- | | ------- x V ------------ x V \ snd ACK +---------+delete TCB +---------+------------------------>|TIME WAIT|------------------>| CLOSED |+---------+ +---------+TCP Connection State DiagramFigure 6. LISTEN：偵聽來自遠方的TCP端口的連接請求SYN-SENT：再發送連接請求后等待匹配的連接請求（客戶端）SYN-RECEIVED：再收到和發送一個連接請求后等待對方對連接請求的確認（服務器）ESTABLISHED：代表一個打開的連接FIN-WAIT-1：等待遠程TCP連接中斷請求，或先前的連接中斷請求的確認FIN-WAIT-2：從遠程TCP等待連接中斷請求CLOSE-WAIT：等待從本地用戶發來的連接中斷請求CLOSING：等待遠程TCP對連接中斷的確認LAST-ACK：等待原來的發向遠程TCP的連接中斷請求的確認TIME-WAIT：等待足夠的時間以確保遠程TCP接收到連接中斷請求的確認CLOSED：沒有任何連接狀態主動端可能出現的狀態：FIN_WAIT1、FIN_WAIT2、CLOSING、TIME_WAIT? 被動端可能出現的狀態：CLOSE_WAIT LAST_ACK

SYN_RCVD: 這個狀態表示接收到了SYN報文，在正常情況下，這個狀態是服務器端的SOCKET在建立TCP連接時的三次握手會話過程中的一個中間狀態，很短暫，基本上用netstat你是很難看到這種狀態的，除非你特意寫了一個客戶端測試程序，故意將三次TCP握手過程中最后一個ACK報文不予發送。因此這種狀態時，當收到客戶端的ACK報文后，它會進入到ESTABLISHED狀態。如果收到一個RST信號，則返回到LISTEN狀態
SYN_SENT: 這個狀態與SYN_RCVD遙相呼應，當客戶端SOCKET執行CONNECT連接時，它首先發送SYN報文，因此也隨即它會進入到了SYN_SENT狀態，并等待服務端的發送三次握手中的第2個報文。SYN_SENT狀態表示客戶端已發送SYN報文。
FIN_WAIT_1: 這個狀態要好好解釋一下，其實FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2狀態的真正含義都是表示等待對方的FIN報文。而這兩種狀態的區別是：FIN_WAIT_1狀態實際上是當SOCKET在ESTABLISHED狀態時，它想主動關閉連接，向對方發送了FIN報文，此時該SOCKET即進入到FIN_WAIT_1狀態。而當對方回應ACK報文后，則進入到FIN_WAIT_2狀態，當然在實際的正常情況下，無論對方何種情況下，都應該馬上回應ACK報文，所以FIN_WAIT_1狀態一般是比較難見到的，而FIN_WAIT_2狀態還有時常常可以用netstat看到。
FIN_WAIT_2：上面已經詳細解釋了這種狀態，實際上FIN_WAIT_2狀態下的SOCKET，表示半連接，也即有一方要求close連接，但另外還告訴對方，我暫時還有點數據需要傳送給你，稍后再關閉連接。
TIME_WAIT: 表示收到了對方的FIN報文，并發送出了ACK報文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用狀態了。如果FIN_WAIT_1狀態下，收到了對方同時帶FIN標志和ACK標志的報文時，可以直接進入到TIME_WAIT狀態，而無須經過FIN_WAIT_2狀態。
CLOSING: 這種狀態比較特殊，實際情況中應該是很少見，屬于一種比較罕見的例外狀態。正常情況下，當你發送FIN報文后，按理來說是應該先收到（或同時收到）對方的ACK報文，再收到對方的FIN報文。但是CLOSING狀態表示你發送FIN報文后，并沒有收到對方的ACK報文，反而卻也收到了對方的FIN報文。什么情況下會出現此種情況呢？那就是如果雙方幾乎在同時close一個SOCKET的話，那么就出現了雙方同時發送FIN報文的情況，也即會出現CLOSING狀態，表示雙方都正在關閉SOCKET連接。另外一種情況就是，ACK丟失了。
CLOSE_WAIT: 這種狀態的含義其實是表示在等待關閉。怎么理解呢？當對方close一個SOCKET后發送FIN報文給自己，你系統毫無疑問地會回應一個ACK報文給對方，此時則進入到CLOSE_WAIT狀態。接下來呢，實際上你真正需要考慮的事情是察看你是否還有數據發送給對方，如果沒有的話，那么你也就可以close這個SOCKET，發送FIN報文給對方，也即關閉連接。所以你在CLOSE_WAIT狀態下，需要完成的事情是等待你去關閉連接。
LAST_ACK: 這個狀態還是比較容易好理解的，它是被動關閉一方在發送FIN報文后，最后等待對方的ACK報文。當收到ACK報文后，也即可以進入到CLOSED可用狀態了

tcp 定時器

超時重傳
堅持定時器：
keepalive
time_wait

流量控制和滑動窗口

滑動窗口協議是傳輸層進行流控的一種措施，接收方通過通告發送方自己的可以接受緩沖區大小（這個字段越大說明網絡吞吐量越高），從而控制發送方的發送速度，不過如果接收端的緩沖區一旦面臨數據溢出，窗口大小值也會隨之被設置一個更小的值通知給發送端，從而控制數據發送量（發送端會根據接收端指示，進行流量控制）。

發送端：

已發送被確認
已發送未確認
允許發送未發送
暫不允許發送

接收端：

已確認消息
允許接收
接收未發送確認消息
不允許接收

擁塞控制和擁塞窗口

發送方維持一個擁塞窗口 cwnd ( congestion window )的狀態變量。擁塞窗口的大小取決于網絡的擁塞程度，并且動態地在變化。發送方讓自己的發送窗口等于擁塞。

發送方控制擁塞窗口的原則是：只要網絡沒有出現擁塞，擁塞窗口就再增大一些，以便把更多的分組發送出去。但只要網絡出現擁塞，擁塞窗口就減小一些，以減少注入到網絡中的分組數

慢開始( slow-start )
擁塞避免( congestion avoidance )
快重傳( fast retransmit )
快恢復( fast recovery )

tcp 延時 ACK

參考：TCP/IP卷一:80—TCP數據流與窗口管理之（延時確認(延遲ACK)、Nagle算法

ACK延遲確認機制
接收方在收到數據后，并不會立即回復ACK,而是延遲一定時間。一般ACK延遲發送的時間低于500ms，但這個時間并非收到數據后需要延遲的時間。系統有一個固定的定時器會來檢查是否需要發送ACK包。這樣做有兩個目的。

這樣做的目的是ACK是可以合并的，也就是指如果連續收到兩個TCP包，并不一定需要ACK兩次，只要回復最終的ACK就可以了，可以降低網絡流量。
如果接收方有數據要發送，那么就會在發送數據的TCP數據包里，帶上ACK信息。這樣做，可以避免大量的ACK以一個單獨的TCP包發送，減少了網絡流量。

不同操作系統對延遲確認的實現

采用延時ACK的方法會減少ACK傳輸數目，可以一定程度地減輕網絡負載。對于批量數據傳輸通常為 2:1 的比例。基于不同的主機操作系統，延遲發送ACK的最大時延可以動態配置
Linux使用了一種動態調節算法，可以在每個報文段返回一個ACK (稱為“快速確認”模式)與傳統延時ACK模式間相互切換
Mac OS X中，可以改變系統變量net.inet. tcp.delayed_ack值?來設置延時ACK。可選值如下：禁用延時(設為0)，始終延時(設為1)，每隔一個包回復一個ACK(設為2)，自動檢測確認時間(設為3)。默認值為3
最新的 Windows版本中，?注冊表項中，每個接口的全局唯一標識（GUID）都不同（IG表示被引用的特定網絡接口的GUID）。TcpAckFrequency值（需要被添加）可以設為0-255，默認為2。它?代表延時ACK計時器超時前在傳的ACK數目?。將其設為1表明對每個收到的報文段都生成相應的ACK。ACK計時器值可以通過TcpDelAckTicks注冊表項控制。該值可設為2 - 6，默認為2。它以百毫秒為單位，表明在發送延時ACK前要等待百毫秒數

//在c語言中可以通過設置socket來實現 int quickack = 1; /* 啟用快速確認，如果賦值為0表示使用延遲確認 */ setsockopt(fd, SOL_TCP, TCP_QUICKACK, &quickack, sizeof(quickack));

Time-wait狀態(2MSL)

1. 為什么需要TIME_WAIT狀態

假設最后的ACK丟失，server將重發FIN，client必須維護TCP狀態信息以便可以重發最后的ACK，否則將會發送RST，結果server認為發生錯誤。TCP實現必須可靠地終止連接的兩個方向，所以client必須進入TIME_WAIT狀態。

此外，考慮一種情況，TCP實現可能面臨著先后兩個相同的五元組。如果前一個連接處于TIME_WAIT狀態，而允許另一個擁有相同五元組連接出現，可能處理TCP報文時，兩個連接互相干擾。所以使用SO_REUSEADDR選項就需要考慮這種情況。

linux網絡編程

套接字地址結構

struct in_addr

字節順序為網絡順序（network byte ordered)，即該無符號整數采用大端字節序

//ipv4套接字地址結構,在<netinet/in.h>中聲明 typedef uint32_t in_addr_t; //32位(unsigned int)的ip地址, struct in_addr {in_addr_t s_addr; };

struct sockaddr和struct sockaddr_in

struct sockaddr是通用的套接字地址，而struct sockaddr_in則是internet環境下套接字的地址形式，
二者長度一樣，都是16個字節。二者是并列結構，指向sockaddr_in結構的指針也可以指向sockaddr。
一般情況下，需要把sockaddr_in結構強制轉換成sockaddr結構再傳入系統調用函數中

//sizeof(sockaddr_in)=16,定義在#include <netinet/in.h> struct sockaddr_in {unsigned short int sin_family; //Address family 2unsigned short int sin_port; // Port number 2struct in_addr sin_addr; //Internet address 4unsigned char sin_zero[8]; //未使用 8 };//sizeof(sockaddr)=16,定義在#include <sys/socket.h> struct sockaddr {sa_family_t sa_family; //sa_family_t為unsigned short int,地址家族, AF_INET 2char sa_data[14]; // 14 bytes of protocol address };

字節排序函數

首先解釋一下字節序的概念，所謂字節序是指多字節數據的存儲順序，比如0x1234要放在0000H和0001H兩存儲單元，有兩種存儲方式：大端格式為[0000H]=12,[0001H]=34和小端格式為[0000H]=34,[0001H]=12。

大端格式：將高位字節數據存儲在低地址，低位字節數據存儲在高地址

小端格式：將高位字節數據存儲在高地址，低位字節數據存儲在低地址

#include <stdio.h>int main(int argc, char *argv[]) {union{short temp;char test[sizeof(short)];}un_tmp;un_tmp.temp = 0x1234;if ((un_tmp.test[0] == 0x12) && (un_tmp.test[1] == 0x34)) {printf("大端格式:高位字節數據存儲在低地址，低位字節數據存儲在高地址");}if ((un_tmp.test[0] == 0x34) && (un_tmp.test[1] == 0x12)){printf("小端格式:高位字節數據存儲在高地址，低位字節數據存儲在低地址");}return 0;}

網際協議采取的是大端字節序，我們在編程的時候才需要考慮網絡字節許和主機字節序之間的轉換。下面是四個轉換函數

#include <netinet/in.h>uint16_t htons(uint16_t host16bitvalue); uint32_t htonl(uint32_t host32bitvalue); //均返回網絡字節序uint16_t ntohs(uint16_t net16bitvalue); uint32_t ntohl(uint32_t net32bitvalue); //均返回主機字節序

地址轉換函數:

BSD網絡軟件中包含了inet_addr、inet_aton和inet_ntoa，用來在二進制地址格式和點分十進制字符串格式之間相互轉換，但是這三個函數僅僅支持IPv4。（廢棄，不建議使用）

1. in_addr_t inet_addr(const char *cp)函數轉換標準的ASCII以點分十進制的地址值返回為網絡字節序二進制值

如果參數 char *cp 無效則返回-1(INADDR_NONE)，但這個函數有個缺點：在處理地址為255.255.255.255時也返回-1，雖然它是一個有效地址，但inet_addr()無法處理這個地址。

#include <arpa/inet.h>in_addr_t inet_addr(const char *cp); //in_addr_t-->uint32_t

輸入是點分的IP地址格式（如A.B.C.D)的字符串，從該字符串中提取出每一部分，轉換為ULONG,假設得到4個ULONG型的A,B,C,D,
ulAddress（ULONG型）是轉換后的結果，
ulAddress = D<<24 + C<<16 + B<<8 + A(網絡字節序），即inet_addr(const char *)的返回結果
另外，我們也可以得到把該IP轉換為主機序的結果，轉換方法一樣
A<<24 + B<<16 + C<<8 + D

2. int inet_aton(const char __cp, in_addr __inp)轉換標準的ASCII以點分十進制的地址值返回網絡字節序二進制值

如果這個函數成功，函數的返回值非零。如果輸入地址不正確則會返回零。使用這個函數并沒有錯誤碼存放在errno中，所以他的值會被忽略。

#include <arpa/inet.h> /*** @brief inet_aton* @param __cp 輸入參數包含ASCII表示的IP地址* @param __inp 輸出參數將要用新的IP地址更新的結構* @return */ extern int inet_aton (const char *__cp, struct in_addr *__inp);

3. char *inet_ntoa (struct in_addr __in)函數轉換網絡字節序二進制值返回標準的ASCII以點分十進制的地址值

該函數返回值指向保存點分十進制的字符串地址的指針，該字符串的空間為靜態分配的，所以在第二次調用這個函數時，意味著上一次調用并保存的結果將會被覆蓋(重寫)

#include <arpa/inet.h>extern char *inet_ntoa (struct in_addr __in);

4. 代碼示例：

#include <stdio.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <string.h> int main(int argc, char *argv[]) {char ip1[] = "192.168.0.74";char ip2[] = "211.100.21.179";struct in_addr addr1, addr2;long l1, l2;l1 = inet_addr(ip1); //IP字符串——》網絡字節l2 = inet_addr(ip2);printf("IP1: %s\nIP2: %s\n", ip1, ip2);printf("Addr1: %ld\nAddr2: %ld\n", l1, l2);memcpy(&addr1, &l1, 4); //復制4個字節大小memcpy(&addr2, &l2, 4);printf("%s <--> %s\n", inet_ntoa(addr1), inet_ntoa(addr2)); //注意：printf函數自右向左求值、覆蓋printf("%s\n", inet_ntoa(addr1)); //網絡字節 ——》IP字符串printf("%s\n", inet_ntoa(addr2));return 0; } IP1: 192.168.0.74 IP2: 211.100.21.179 Addr1: 1241557184 Addr2: 3004523731 192.168.0.74 <--> 192.168.0.74 192.168.0.74 211.100.21.179

功能相似的兩個函數同時支持IPv4和IPv6，p代表presentation表達，n代表numeric數值

1. int inet_pton(int domain, const char str, void addr)將標準的ASCII以點分十進制的地址值轉化為網絡傳輸的二進制數值格式

返回值：若成功則為1，若輸入不是有效的表達式則為0，若出錯則為-1

#include <arpa/inet.h>int inet_pton(int family, const char *strptr, void *addrptr) { //這兩個函數的family參數既可以是AF_INET（ipv4）也可以是AF_INET6（ipv6）。 //如果，以不被支持的地址族作為family參數，這兩個函數都返回一個錯誤，并將errno置為EAFNOSUPPORT.if (family == AF_INET) {struct in_addr in_val;if (inet_aton(strptr, &in_val)) {memcpy(addrptr, &in_val, sizeof(in_val));return (1);}}errno = EAFNOSUPPOPT;return (-1); }

2. const char inet_ntop(int domain, const void addr, char *str, socklen_t size)將網絡傳輸的二進制數值轉化標準的ASCII以點分十進制的地址值格式

inet_ntop函數的strptr參數不可以是一個空指針。調用者必須為目標存儲單元分配內存并指定其大小,返回值：若成功則為指向結構的指針，若出錯則為NULL

#include <arpa/inet.h>const char *inet_ntop(int family, const void *addrptr, char *strptr, size_t len) {const u_char *p = (const u_char*)addrptr;if (family == AF_INET) {char temp[INET_ADDRSTRLEN];snprintf(temp, sizeof(temp), "%d.%d.%d.%d", p[0], p[1], p[2], p[3]);if (strlen(temp) >= len) {errno = ENOSPC;rturn (NULL);}strcpy(strptr, temp);return (strptr);}errno = EAFNOSUPPOPT;return (NULL); }

3. 代碼示例：

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <arpa/inet.h>int main() {char ip[] = "192.168.0.74"; struct in_addr addr;int ret = inet_pton(AF_INET, ip, (void *)&addr); //IP字符串 ——》網絡字節流if(0 == ret){printf("inet_pton error, return 0\n");return -1;}else{printf("inet_pton ip: %ld\n", addr.s_addr);printf("inet_pton ip: 0x%x\n", addr.s_addr);}const char *pstr = inet_ntop(AF_INET, (void *)&addr, ip, 128); //網絡字節流 ——》IP字符串if(NULL == pstr){printf("inet_ntop error, return NULL\n");return -1;}else{printf("inet_ntop ip: %s\n", ip);}return 0; } inet_pton ip: 1241557184 inet_pton ip: 0x4a00a8c0 inet_ntop ip: 192.168.0.74

TCP通信相關函數

1. int socket(family, type, protocol)：創建套接字

/*** #include <sys/types.h>* #include <sys/socket.h>* @brief Socket 創建一個套接字用于通信* @param family* AF_INET IPv4地址協議AF_INET6 IPv6地址協議AF_LOCAL UNIX域協議AF_ROUTE 路由套接字AF_KEY 密鑰套接字* @param type 指定socket類型，SOCK_STREAM 流式套接字SOCKDGRAM 數據報套接字SOCK_SEQPACKET 有序分組套接字SOCKRAW 原始套接字,提供單一的網絡訪問，這個socket類型使用ICMP公共協議。（ping、traceroute使用該協議）* @param protocol 協議類型 If PROTOCOL 為0,內核將會自動進行選擇,可以默認填0IPPROTO_TCP TCP傳輸協議IPPROTO_UDP UDP傳輸協議IPPROTO_SCTP SCTP傳輸協議* @return 成功返回非負整數套接字描述符；失敗返回-1*/ int socket(int family,int type,int protocol);

2. int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)：綁定套接字

#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> /*** @brief bind* @param fd 綁定套接子* @param addr 要綁定的地址* @param addrlen 地址長度* @return 成功返回 0 失敗返回 -1*/ int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

3. int listen(int fd,int backlog)：設置同時通信的最大套接字數量

#include <sys/types.h> #include <sys/sock.h>/*** @brief listen* (1)一般來說，listen函數應該在調用socket和bind函數之后，調用accept函數之前調用* (2)對于給定的監聽套接字接口，內核要維護兩個隊列* <1>已由客戶發送并到達服務器，服務器正在等待完成對應的TCP三次握手過程* <2>已經完成連接的隊列* @param fd socket函數返回的套接字* @param backlog 規定內核為此套接字排隊的最大的連接個數* @return 成功返回 0 失敗返回 -1*/ int listen(int fd,int backlog);

4. int accept(int sockfd, struct sockaddr addr, socklen_t addrlen)阻塞式監聽客戶端連接

#include <sys/types.h> #include <sys/scoket.h>/*** @brief accept 從已經完成連接隊列返回第一個連接，如果已經完成連接隊列為空，則阻* @param sockfd 服務器套接字* @param addr 將返回對等待的套接字地址* @param addrlen 返回對等方的套接字地址長度* @return 成功返回非負整數：對應和客戶點連接的新套接字，失敗返回-1*/ int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

5. int connect(int sockfd, const strcut sockaddr *addr, socklen_t addrlen)用來客戶端和tcp服務器建立連接

#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h>/*** @brief connect 用于建立與指定socket的連接* @param sockfd 標識一個未連接的socket* @param addr 指定要連接套接字的sockaddr結構體的指針* @param addrlen sockaddr結構體的字節長度* @return 0 on success, -1 for errors*/ int connect(int sockfd, const strcut sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

5. ssize_t read(int fd,void *ptr,size_t nbytes)一次讀取指定字節長度數據

#include <unistd.h>/*** @brief read* @param fd 將要讀取數據的文件描述符* @param ptr 所讀取到的數據的內存緩沖* @param nbytes 需要讀取的數據量* @return 成功執行時，返回所讀取的數據量；* 如果返回0, 表示已到達文件尾或是無可讀取的數據* 失敗返回-1，errno被設為以下的某個值EAGAIN：打開文件時設定了O_NONBLOCK標志，并且當前沒有數據可讀取EBADF：文件描述詞無效，或者文件不可讀EFAULT：參數buf指向的空間不可訪問EINTR：數據讀取前，操作被信號中斷EINVAL：一個或者多個參數無效EIO：讀寫出錯EISDIR：參數fd索引的時目錄*/ ssize_t read(int fd,void *ptr,size_t nbytes);

6. ssize_t write(int fd,const void *ptr,size_t nbytes)一次寫入指定字節長度數據

/*** @brief write* @param fd 將要寫入數據的文件描述符* @param ptr 所寫入到的數據的內存緩沖* @param nbytes 需要寫入的數據量* @return 成功執行時，返回所寫入的數據量。失敗返回-1，錯誤代碼存入errno中*/ ssize_t write(int fd,const void *ptr,size_t nbytes);

7. ssize_t Readn(int fd,void *vptr,size_t n);循環讀取n個字節數據

/*** @brief Readn 從描述符fd中讀取n個字節，存入vptr指針的位置1. 當剩余長度大于0的時候就一直讀啊讀2. 當read的返回值小于0的時候，做異常檢測3. 當read的返回值等于0的時候，退出循環4. 當read的返回值大于0的時候，拿剩余長度減read的返回值，拿到新的剩余長度，讀的入口指針加上read的返回值，進入步15. 返回參數n減去剩余長度，即實際讀取的總長度* @param fd* @param vptr* @param n* @return*/ /* Read "n" bytes from a descriptor. */ ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n) {size_t nleft;ssize_t nread;char *ptr;ptr = vptr;nleft = n;while (nleft > 0) {if ( (nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {if (errno == EINTR)nread = 0; /* and call read() again */elsereturn(-1);} else if (nread == 0)break; /* EOF */nleft -= nread;ptr += nread;}return(n - nleft); /* return >= 0 */ } /* end readn */

8. ssize_t Writen(int fd,const void*vptr,size_t n)循環寫入n個字節數據

/*** @brief Writen 向描述符fd中寫入n個字節，從vptr位置開始寫1. 當要寫入的剩余長度大于0的時候就一直寫啊寫2. 當write的返回值小于0的時候，做異常檢測3. 當write的返回值等于0的時候，出錯退出程序4. 當write的返回值大于0的時候，拿剩余長度減去write的返回值，拿到新的剩余長度，寫的入口指針加上write的返回值，進入步驟15. 返回參數n的值，即期望寫入的總長度* @param fd* @param vptr* @param n* @return */ /* Write "n" bytes to a descriptor. */ ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n) {size_t nleft;ssize_t nwritten;const char *ptr;ptr = vptr;nleft = n;while (nleft > 0) {if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) {if (nwritten < 0 && errno == EINTR)nwritten = 0; /* and call write() again */elsereturn(-1); /* error */}nleft -= nwritten;ptr += nwritten;}return(n); } /* end writen */

9. ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen) 讀到’\n’或者讀滿緩沖區才返回

static ssize_t readch(int fd, char *ptr) {static int read_cnt;static char *read_ptr;static char read_buf[100];if(read_cnt <= 0){ again:if((read_cnt = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) < 0){if(errno == EINTR){goto again;}else{return -1;}}else if(read_cnt == 0){return 0;}read_ptr = read_buf;}read_cnt--;*ptr = *read_ptr++;return 1; }ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen) {ssize_t n, rc;char c, *ptr;ptr = vptr;for(n = 1; n < maxlen; n++){if((rc = readch(fd, &c)) == 1){*ptr++ = c;if(c == '\n'){break;}}else if(rc == 0){*ptr = 0;return n - 1;}else{return (n - 1);}}*ptr = 0;return n; }

10. int close(int fd) 關閉套接字

close函數會關閉套接字ID，如果有其他的進程共享著這個套接字，那么它仍然是打開的，這個連接仍然可以用來讀和寫，并且有時候這是非常重要的，特別是對于多進程并發服務器來說

//一般不會立即關閉而經歷TIME_WAIT的過程 #include<unistd.h> int close(int sockfd); //返回成功為0，出錯為-1

11. shutdown()函數切斷進程共享的套接字的所有連接

#include<sys/socket.h> /*** @brief shutdown shutdown會切斷進程共享的套接字的所有連接，不管這個套接字的引用計數是否為零，* 那些試圖讀得進程將會接收到EOF標識，那些試圖寫的進程將會檢測到SIGPIPE信號，* 同時可利用shutdown的第二個參數選擇斷連的方式* @param sockfd 文件描述符* @param howto1.SHUT_RD：值為0，關閉連接的讀這一半。2.SHUT_WR：值為1，關閉連接的寫這一半。3.SHUT_RDWR：值為2，連接的讀和寫都關閉。* @return 成功為0，出錯為-1.*/ int shutdown(int sockfd,int howto);

12. recv()和send()函數

int recv(int sockfd,void *buf,int len,int flags); int send(int sockfd,void *buf,int len,int flags); flags含義

0	相當于read和write函數
MSG_DONTROUTE	不查找表
MSG_OOB	接受或者發送帶外數據
MSG_PEEK	查看數據,并不從系統緩沖區移走數據
MSG_WAITALL	等待所有數據

MSG_DONTROUTE：是send函數使用的標志。這個標志告訴IP，目的主機在本地網絡上面，沒有必要查找表。這個標志一般用網絡診斷和路由程序里面。
MSG_OOB：表示可以接收和發送帶外的數據。關于帶外數據我們以后會解釋的。
MSG_PEEK：是recv函數的使用標志。表示只是從系統緩沖區中讀取內容，而不清除系統緩沖區的內容，這樣下次讀的時候仍然是一樣的內容。一般在有多個進程讀寫數據時可以使用這個標志。
MSG_WAITALL：是recv函數的使用標志。表示等到所有的信息到達時才返回。使用這個標志的時候recv會一直阻塞，直到指定的條件滿足或者是發生了錯誤。

1）當讀到了指定的字節時，函數正常返回。返回值等于len
2）當讀到了文件的結尾時，函數正常返回。返回值小于len
3）當操作發生錯誤時返回-1，且設置錯誤為相應的錯誤號(errno)

UDP通信相關函數

1. recvfrom()函數

/*** @brief recvfrom* @param sockfd 套接字* @param buf UDP數據報緩存區（包含所接收的數據* @param nbytes 緩沖區長度* @param flags 調用操作方式（一般設置為0）* @param from 指向發送數據的客戶端地址信息的結構體（sockaddr_in需類型轉換）* @param fromlen 指針，指向from結構體長度值* @return 成功則返回實際接收到的字符數，失敗返回-1，錯誤原因會存于errno 中*/int recvfrom(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes,int flags,struct sockaddr *from, int *fromlen);

2. sendto()函數

sendto函數專用與UDP連接

/*** @brief sendto* @param sockfd 套接字* @param buf 帶發送數據存儲緩沖區* @param nbytes 要發送數據的字節數* @param flags 可選標志* @param destaddr (目標地址)數據接收方* @param destlen 目標地址結構長度* @return */ssize_t sendto(int sockfd,const void * buf,size_t nbytes,int flags,const struct sockaddr_in * destaddr,socklen_t destlen );

UDP組播通信相關函數

組播組可以是永久的也可以是臨時的。組播組地址中，有一部分由官方分配的，稱為永久組播組。永久組播組保持不變的是它的ip地址，組中的成員構成可以發生變化。永久組播組中成員的數量都可以是任意的，甚至可以為零。那些沒有保留下來供永久組播組使用的ip組播地址，可以被臨時組播組利用。

224.0.0.0～224.0.0.255為預留的組播地址（永久組地址），地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由協議使用；

224.0.1.0～224.0.1.255是公用組播地址，可以用于Internet；

224.0.2.0～238.255.255.255為用戶可用的組播地址（臨時組地址），全網范圍內有效；

239.0.0.0～239.255.255.255為本地管理組播地址，僅在特定的本地范圍內有效。

getsockopt()/setsockopt()的選項含義

IP_MULTICAST_TTL	設置多播組數據的TTL值
IP_ADD_MEMBERSHIP	在指定接口上加入組播組
IP_DROP_MEMBERSHIP	退出組播組
IP_MULTICAST_IF	獲取默認接口或設置接口
IP_MULTICAST_LOOP	禁止組播數據回送

// IPv4 multicast request. struct ip_mreq{// 多播組的IP地址 IP multicast address of group. struct in_addr imr_multiaddr;//加入的客戶端主機IP地址 Local IP address of interface. struct in_addr imr_interface;};//加入組播組ip_mreq multiCast;multiCast.imr_interface.s_addr=htonl(INADDR_ANY); //本地某一網絡設備接口的IP地址。multiCast.imr_multiaddr.s_addr=inet_addr("234.2.2.2"); //組播組的IP地址。setsockopt(sockfd,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,(char*)&multiCast,sizeof(multiCast));

常見的錯誤碼

網絡通信中 TCP 產生 RST 的三個條件分析

參考文獻

LInux Tcp 延遲確認問題

總結

以上是生活随笔為你收集整理的UNIX网络套接字相关总结的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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网络
Unix

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