socket编程---TCP

1.socket函数

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

　　protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
　　type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
　　protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。

注意：

　　并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。
　　当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口

实现

　　当服务器程序调用socket系统调用之后，内核会创建一个struct socket和一个struct sock结构，两者可以通过指针成员变量相互访问对方。内核直接操作的是struct sock结构。struct socket的存在是为了适应linux的虚拟文件系统，把socket也当作一个文件系统，通过指定superblock中不同的操作函数实现完成相应的功能。在linux内核中存在不同的sock类型，与TCP相关的有struct sock、 struct inet_connection_sock,、struct tcp_sock等。这些结构的实现非常灵活,可以相互进行类型转换。这个机制的实现是结构体的一层层包含关系：struct tcp_sock的第一个成员变量是struct inet_connection_sock，struct inet_connection_sock的第一个成员变量是struct sock。

通过这种包含关系，可以将不同的sock类型通过指针进行相互转换。比如：

struct tcp_sock tcp_sk; struct sock *sk = (struct sock *)&tcp_sk;

socket编程---TCP

　　为了避免从小的结构体转换到大的结构体造成内存越界，对于TCP协议，内核在初始化一个stuct sock时给它分配的空间大小是一个struct tcp_sock的大小。这样sock类型的相互转换便可以灵活的进行。另外，在内核创建完sock和socket之后,还需要绑定到对应的文件描述符以便应用层能够访问。一个task_struct中有一个文件描述符数组，存储所有该进程打开的文件，因为socket也可以看做是文件，也存储在这个数组中。文件描述符就是该socket在该数组中的下标，具体的实现请参照虚拟文件系统。

2.bind函数

　　bind()函数把一个地址族中的特定地址（本地协议地址）赋给socket(即地址的绑定)。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

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

　　sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
　　addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是：限定了只接受地址为addr的客户信息，若服务器没有绑定ip地址，则内核就把客户端发送的SYN目的地址作为服务器的源IP地址，一般我们捆绑统配地址：INADDR_ANY，告诉系统，若系统是多宿主机，我们将接受目的地址为任何本地接口的连接。

　　addrlen：对应的是地址的长度。

错误信息：

EACCES：地址受到保护，用户非超级用户。
EADDRINUSE：指定的地址已经在使用。
EBADF：sockfd参数为非法的文件描述符。
EINVAL：socket已经和地址绑定。
ENOTSOCK：参数sockfd为文件描述符。

注意：

如果TCP客户或服务器未曾调用bind捆绑一个端口，当调用connect或listen时内核就选择一个临时端口，这对客户来说是正常的，服务器应该调用众所周知的端口
在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，务必将其转化为网络字节序再赋给socket

实现

　　该调用通过传递进来的文件描述符找到对应的socket结构，然后通过socket访问sock结构。操作sock进行地址的绑定。如果指定了端口检查端口的可用性并绑定，否则随机分配一个端口进行绑定。但是怎样获知当前系统的端口绑定状态呢？通过一个全局变量inet_hashinfo进行，每次成功绑定一个端口会都将该sock加入到inet_hashinfo的绑定散列表中。加入之后bind的系统调用已基本完成了。

3.listen函数

int listen(int sockfd, int backlog);

第一个参数即为要监听的socket描述字
第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数

　　socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求，把CLOSED状态转换为LISTEN状态。

未完成队列：

　　每个这样的SYN分节对应其中一项，客服发送至服务器，服务器等待完成TCP的三次握手，这些套接字处于SYN_RCVD状态。

已完成队列：

　　每个已完成的TCP完成三路握手的客户对应其中一项，这些套接字处于ESTABLISHED状态。

socket编程---TCP

注意：

每在未完成队列中创建一项时，来自监听套接字的参数就立即复制到建立连接中，链接创建自动完成。
来自客户的SYN到达时，TCP在未完成对队列中创建一项，然后相应三路握手的第二个分节：服务器SYN相应，捎带对客户的SYN分节的ACK，这一项一直保留在未完成队列中，直到三路握手的第三个分节客户对服务器的SYN的ACK到达或该项超时为止。
已完成队列的对头返回给进程，如果进程为空，队列被投入睡眠，直到TCP在该队列中放一项为止；若当客户的一个SYN到达时，这些队列是满的，TCP就忽略该分节，也就是不发送RST，因为这些情况是暂时的，期望不就就能在这些队列中找到一个可用的空间，若服务器响应RST，客户端connect调用就会返回一个错误。
backlog不能为0

socket编程---TCP

实现

　　和listen相关的大部分信息存储在inet_connection_sock结构中。同样的内核通过文件描述符找到对应的sock，然后将其转换为inet_connection_sock结构。在inet_connection_sock结构体中含有一个类型为request_sock_queue的icsk_accept_queue变量，存储一些希望建立连接的sock相关的信息。结构为：

struct request_sock_queue
{
    struct request_sock *rskq_accept_head;
    struct request_sock *rskq_accept_tail;
    rwlock_t             syn_wait_lock;
    u8                    rskq_defer_accept;
    struct listen_sock     *listen_opt;
};

View Code