网络套接字(socket)[1]

1.前言

本篇文章的所有例子，基于RHEL6.5平台(linux kernal: 2.6.32-431.el6.i686)。

2.网络中进程间通信本地的进程间通信(IPC)方式有很多种，总结起来，大概可以分为下面的这4类： a).消息传递。包括管道(点此链接)，FIFO(点此链接)，消息队列(点此链接)等。 c).同步。包括互斥量，条件变量，读写锁，文件和记录锁，信号量等。 d).远程过程调用。例如Sun RPC。但是，这些通信方式，大部分都局限于本地。如何在网络中进程之间通信呢？首先需要解决的问题是如何唯一的标识一个进程。在本地可以通过进程PID来唯一标识进程，但是在网络中仅依靠这个是不行的。现实情况中，TCP/IP协议族已经解决了这个问题，网络层的"IP地址"可以唯一标识网络中的主机，而传输层的"协议+端口"可以唯一标识主机中的应用程序(即进程)。这样，利用这个三元组(ip, 协议, 端口)就可以标识网络的进程了，网络中进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。3.socket介绍socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是"一切皆文件“，都可以用"打开open->读写write/read->关闭close"模式来操作。socket就可以看作是这种模式的一个实现，socket相关的函数就是对其进行的操作(读写I/O，打开，关闭)。这些函数会在后面章节中介绍。

socket一词的起源：在组网领域的首次使用是在1970年2月12日发布的文献IETF RFC33中发现的，撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根据美国计算机历史博物馆的记载，Croker写道：“命名空间的元素都可称为套接字接口。一个套接字接口构成一个连接的一端，而一个连接可完全由一对套接字接口规定。”计算机历史博物馆补充道：“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。”前面已经提到socket也可以认为是一种文件操作，符合"open->write/read->close”模式，则socket应该提供了这些操作对应的函数接口。下面已TCP为例，介绍常用的sockt接口函数。

4.socket()函数#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

·domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、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、SOCK_RDM等等。

·protocol：顾名思义，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。

注意：上面的type和protocol并不是可以随意组合的，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描述符存在于协议族（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。

5.bind()函数正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。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。#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);参数sockfd： 即socket描述符，它是通过socket()函数创建，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述符绑定一个名字。参数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。具体可以参考4.3这个章节。参数addrlen 对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

6.struct sockaddr详解6.1.sockaddr定义在linux缓解下，结构体sockaddr定义在/usr/include/linux/socket.h中，共计16字节。定义如下：typedef unsigned short sa_family_t;struct sockaddr {sa_family_tsa_family; /* address family, AF_xxx*/ //2字节charsa_data[14]; /* 14 bytes of protocol address */ //14字节}6.2.sockaddr_in定义在linux环境下，结构体struct sockaddr_in在/usr/include/netinet/in.h中定义，对应的是IPv4地址。具体定义如下：/* Structure describing an Internet socket address. */struct sockaddr_in{__SOCKADDR_COMMON (sin_);//2字节in_port_t sin_port;/* Port number. */ //2字节struct in_addr sin_addr;/* Internet address. */ //4字节/* Pad to size of `struct sockaddr'. */ //8字节unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -__SOCKADDR_COMMON_SIZE -sizeof (in_port_t) -sizeof (struct in_addr)];//上面的字符数组sin_zero[8]的存在是为了保证结构体struct sockaddr_in的大小和结构体struct sockaddr的大小相等};其中in_port_t类型的具体定位为：/* Type to represent a port. */typedef uint16_t in_port_t; 而struct in_addr其实就是32位IP地址。/* Internet address. */typedef uint32_t in_addr_t;struct in_addr{in_addr_t s_addr; /* address in network byte order */};6.3.sockaddr与sockaddr_in的联系struct sockaddr是通用的套接字地址，而struct sockaddr_in则是internet环境下套接字的地址形式，二者长度一样，都是16个字节。二者是并列结构，指向sockaddr_in结构的指针也可以指向sockaddr。一般情况下，需要把sockaddr_in结构强制转换成sockaddr结构再传入系统调用函数中。下面是一个比较通用的使用sockaddr的例子：int sockfd;struct sockaddr_in my_addr;sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); my_addr.sin_family = AF_INET;/* 主机字节序 */my_addr.sin_port = htons(MYPORT); /* short, 网络字节序 */my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.1");bzero(&(my_addr.sin_zero), 8); /* zero the rest of the struct *///memset(&my_addr.sin_zero, 0, 8);//强制转换sockaddr_in为sockaddrbind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr));6.4.sockaddr_in for IPv6IPv6地址对应的sockaddr_in结构体定义如下：/* Ditto, for IPv6. */struct sockaddr_in6{__SOCKADDR_COMMON (sin6_); //2字节in_port_t sin6_port;/* Transport layer port # */ //2字节uint32_t sin6_flowinfo;/* IPv6 flow information */struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 address */uint32_t sin6_scope_id;/* IPv6 scope-id */};其中，struct in6_addr定义如下：struct in6_addr {unsigned char s6_addr[16]; /* IPv6 address */ };6.5.unix域对应sockaddr#define UNIX_PATH_MAX 108struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family;/* AF_UNIX */ char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ };7.字节序主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。希望有一天，自己也像他们一样，踩着单车上路，