socket通信過程及流程

卜?圖是基于TCP協(xié)議的客戶端/服務(wù)器程序的一般流程:

展務(wù)駕端應(yīng)用層

listenfd-sockets

分配-個(gè)文徉硒符

binddistenfd,聯(lián)弟等地址澆口)

辨定istenf曲海城

自存地址任意

listendistenfd,琳度)

使listenfd成為一個(gè)監(jiān)聽病述符

connfd-acceptdistenfd.客用出期口)

困爰等待客戶希f接

accept返回

分配斬的向S承。nnfdW戶襦通信

read(connfd.buf,size)"

阻塞等待客戶微據(jù)清浪

readj§0箱壞

處屏戶端話求多次

writetconnfd,but.size)

發(fā)送或據(jù)點(diǎn)M

read(connfd.buf.size)

閑兗等待客戶都據(jù)諾求

rea施回0

close(connfd)

服務(wù)器調(diào)用socket()、bind()、listen()完成初始化后，調(diào)用accept。阻塞等待，處于監(jiān)聽端口的狀態(tài)，客

戶端調(diào)用socket。初始化后，調(diào)用connect。發(fā)出SYN段并阻塞等待服務(wù)器應(yīng)答，服務(wù)器應(yīng)答?個(gè)

SYN-ACK段，客戶端收到后從connect。返回，同時(shí)應(yīng)答一個(gè)ACK段，服務(wù)器收到后從accept。返回。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程：

建立連接后,TCP協(xié)議提供全雙工的通信服務(wù)，但是?般的客戶端/服務(wù)腓程序的流程是由客戶端主動(dòng)

發(fā)起請求，服務(wù)器被動(dòng)處理請求，一問一答的方式。因此服務(wù)器從accept。返回后立刻調(diào)用read。，

讀socket就像讀管道一樣，如果沒有數(shù)據(jù)到達(dá)就阻塞等待，這時(shí)客戶端調(diào)用write。發(fā)送請求給服務(wù)器,

服務(wù)器收到后從read。返回，對客戶端的請求進(jìn)行處理，在此期間客戶端調(diào)用read()阻塞等待服務(wù)器

的應(yīng)答，服務(wù)器調(diào)用write。將處理結(jié)果發(fā)回給客戶端，再次調(diào)用read。阻塞等待下一條請求，客戶端

收到后從read。返回，發(fā)送下一條請求，如此循環(huán)下去。

如果客戶端沒有更多的請求了，就調(diào)用close。關(guān)閉連接，就像寫端關(guān)閉的管道一樣，服務(wù)器的read。

返回0,這樣服務(wù)器就知道客戶端關(guān)閉了連接，也調(diào)用close。關(guān)閉連接。注意，任何一方調(diào)用close。

后，連接的兩個(gè)傳輸方向都關(guān)閉，不能再發(fā)送數(shù)據(jù)了。如果功.調(diào)用shutdown。則連接處于半關(guān)閉狀

態(tài)，仍可接收對方發(fā)來的數(shù)據(jù)。

在學(xué)習(xí)socketAPI時(shí)要注意應(yīng)用程序和TCP協(xié)議層是如何交互的：*應(yīng)用程序調(diào)用某個(gè)socket函數(shù)

時(shí)TCP協(xié)議層完成什么動(dòng)作，比如調(diào)用connect。會(huì)發(fā)出SYN段?應(yīng)用程序如何知道TCP協(xié)議層的

狀態(tài)變化,比如從某個(gè)阻塞的socket函數(shù)返回就表明TCP協(xié)議收到了某些段,再比如read。如回0

就表明收到了FIN段

看圖所示的-socket通信過程

server一方的socketclient一方的socket

圖12.9socket的通信過程

1.建立套接字

在sys/socket.h中。

intsocket(intfamily,inttype,intprotocol);

socket。打開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊端口，如果成功的話，就像open。一樣返回一個(gè)文件描述符，應(yīng)用程序可

以像讀寫文件一樣用read/write在網(wǎng)絡(luò)上收發(fā)數(shù)據(jù)，如果socket。調(diào)用出錯(cuò)則返回-1“對于IPv4,

family參數(shù)指定為AFJNEK對于TCP協(xié)議,type參數(shù)指定為SOCK_STREAM,表示面向流的傳輸

協(xié)議。如果是UDP協(xié)議，則type參數(shù)指定為SOCK_DGRAM,表示面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸協(xié)議，protocol

參數(shù)的介紹從略，指定為0即可。

Linux在利用socket。系統(tǒng)調(diào)用建立新的套接字時(shí)，需要傳遞套接字的地址族標(biāo)識(shí)符、套接字類型以

及協(xié)議，其函數(shù)定義于net/socket.c中：

asmlinkagelongsys_socket(intfamily,inttype,intprotocol1

intretval;

structsocket*sock;

retval=sock_create(family,type,protocol,&sock);

if(retval<0)

gotoout;

retval=sock_map_fd(sock);

if(retval<0)

gotoout_release;

out:

/.l.ma.b.alread.anothe.descripto.8.Nblem.*/

returnretval;

outrelease:

sock_release(sock);

returnretval;

}

實(shí)際上，套接字對于用戶程序而言就是特殊的已打開的文件。內(nèi)核中為套接字定義了一種特殊的文

件類型，形成一種特殊的文件系統(tǒng)sockfs,其定義于net/socket.c:

staticstructvfsmount*sock_mnt;

staticDECLARE_FSTYPE(sock_fs_type,"sockfs",sockfs_read_super,FS_NOMOUNT);

在系統(tǒng)初始化時(shí)，要通過kern_mount()安裝這個(gè)文件系統(tǒng)。安裝時(shí)有個(gè)作為連接件的vfsmount數(shù)

據(jù)結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)的地址就保存在一個(gè)全局的指針sock_mnt中。所謂創(chuàng)建一個(gè)套接字，就是在sockfs

文件系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)特殊文件，或者說一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并建立起為實(shí)現(xiàn)套接字功能所需的一整套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

所以，函數(shù)sock_create()首先是建立一個(gè)socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后將其“映射”到一個(gè)已打開的文件

中，進(jìn)行socket結(jié)構(gòu)和sock結(jié)構(gòu)的分配和初始化。

新創(chuàng)建的BSDsocket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含有指向地址族專有的套接字例程的指針，這一指針實(shí)際就是

proto_ops數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地址。

BSD套接字的套接字類型設(shè)置為所請求的SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM等。然后，內(nèi)核利

用proto_ops數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的信息調(diào)用地址族專有的創(chuàng)建例程。

之后，內(nèi)核從當(dāng)前進(jìn)程的fd向量中分配空閑的文件描述符，該描述符指向的file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被初始化。

初始化過程包括將文件操作集指針指向由BSD套接字接口支持的BSD文件操作集。所有隨后的套

接字(文件)操作都將定向到該套接字接口，而套接字接口則會(huì)進(jìn)一步調(diào)用地址族的操作例程，從而

將操作傳遞到底層地址族，如圖12.10所示。

flles.slrucl

closeonexec

openA

BSD套鞭子

文件，作票

bt?kioc"

re?dclott

writefMync

faodeselect

fHMioa

SOCK.STREAM地址嫉

SOCKSTREAM

protocol

實(shí)際上,socket結(jié)構(gòu)與sock結(jié)構(gòu)是同一事物的兩個(gè)方面。如果說socket結(jié)構(gòu)是面向進(jìn)程和系統(tǒng)調(diào)用

界面的，那么sock結(jié)構(gòu)就是面向底層驅(qū)動(dòng)程序的。可是，為什么不把這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合并成?個(gè)呢？

我們說套接字是一種特殊的文件系統(tǒng)，Wilt,inode結(jié)構(gòu)內(nèi)部的union的一個(gè)成分就用作socket結(jié)構(gòu),

其定義如下：

structinode

union{

structsocketsocketj;

)

由于套接字操作的特殊性，這個(gè)結(jié)構(gòu)中需要大量的結(jié)構(gòu)成分?？墒?，如果把這些結(jié)構(gòu)成分全都放在

socket結(jié)構(gòu)中，則inode結(jié)構(gòu)中的這個(gè)union就會(huì)變得很大，從而inode結(jié)構(gòu)也會(huì)變得很大，而對于

其他文件系統(tǒng)，這個(gè)union成分并不需要那么龐大。因此，就把套接字所需的這些結(jié)構(gòu)成分拆成兩部

分，把與文件系統(tǒng)關(guān)系比較密切的那一部分放在socket結(jié)構(gòu)中，把與通信關(guān)系比較密切的那一部分則

單獨(dú)組成?個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即sock結(jié)構(gòu)。由于這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)在邏輯上本來就是?體的，所以要通過指針

互相指向?qū)Ψ?，形成一對一的關(guān)系。

2.在INETBSD套接字上綁定(bind)地址

為了監(jiān)聽傳入的Internet連接請求，每個(gè)服務(wù)器都需要建立一個(gè)INETRSD套接

字，并且將自己的地址綁定到該套接字。綁定操作主要在INET套接字層中進(jìn)行，

還需要底層TCP層和IP層的某些支持。將地址綁定到某個(gè)套接字上之后，該套

接字就不能用來進(jìn)行任何其他的通訊，因此，該socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)必須為

TCP_CLOSE。傳遞到J綁定操作的sockaddr數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含要綁定的IP地址，以

及一個(gè)可選的端口地址。通常而言，要綁定的地址應(yīng)該是賦予某個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP

地址，而該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)該支持INET地址族，并且該設(shè)備是可用的。利用ifconfig

命令可查看當(dāng)前活動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)接口。被綁定的IP地址保存在sock數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的

rcv_saddr和saddr域中，這兩個(gè)域分別用丁哈希直找和發(fā)送用的IP地址。端口

地址是可選的，如果沒有指定，底層的支持網(wǎng)絡(luò)會(huì)選擇一個(gè)空閑的端口。

intbind(intsockfd,conststructsockaddr*myaddrzsocklent

addrlen);

服務(wù)器程序所監(jiān)聽的網(wǎng)絡(luò)地址和端口號通常是固定不變的，客戶端程序得知服務(wù)器程序的地址和端

口號后就可以向服務(wù)器發(fā)起連接，因此服務(wù)器需要調(diào)用bind綁定一個(gè)固定的網(wǎng)絡(luò)地址和端口號。bind。

成功返回0,失敗返回7。

bind。的作用是將參數(shù)sockfd和myaddr綁定在一起，使sockfd這個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)通訊

的文件描述符監(jiān)聽myaddr所描述的地址和端口號。前面講過,structsockaddr*是

一個(gè)通用指針類型,myaddr參數(shù)實(shí)際上可以接受多種協(xié)議的sockaddr結(jié)構(gòu)體，而它

們的長度各不相同，所以需要第三個(gè)參數(shù)addrlen指定結(jié)構(gòu)體的長度。我們的程序中

對myaddr參數(shù)是這樣初始化的：

bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));

servaddr.sin_family=AF_INET;

servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY)；

servaddr.sin_port=htons(SERV_P0RT);

首先將整個(gè)結(jié)構(gòu)體清零，然后設(shè)置地址類型為AF_INET,網(wǎng)絡(luò)地址為INADDR_ANY,這個(gè)宏表示本

地的任意IP地址，因?yàn)榉?wù)器可能有多個(gè)網(wǎng)卡，每個(gè)網(wǎng)卡也可能綁定多個(gè)IP地址，這樣設(shè)置可以在

所有的IP地址上監(jiān)聽，直到與某個(gè)客戶端建立了連接時(shí)才確定下來到底用哪個(gè)IP地址，端口號為

SERV_PORT,我們定義為8000。

當(dāng)?shù)讓泳W(wǎng)絡(luò)設(shè)備接受到數(shù)據(jù)包時(shí)，它必須將數(shù)據(jù)包傳遞到正確的INET和BSD套接字以便進(jìn)吁處

理，因此,TCP維護(hù)多個(gè)哈希表，用來查找傳入IP消息的地址，并將它們定向到正確的socket/sock

對。TCP并不在綁定過程中將綁定的sock數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)添加到哈希表中，在這一過程中，它僅僅判斷所

請求的端口號當(dāng)前是否正在使用。在監(jiān)聽操作中，該sock結(jié)構(gòu)才被添加到TCP的哈希表中。

3.在INETBSD套接字上建立連接(connect)

創(chuàng)建一個(gè)套接字之后，該套接字不僅可以用于監(jiān)聽入站的連接請求，也可以用于

建立出站的連接請求。不論怎樣都涉及到一個(gè)重要的過程：建立兩個(gè)應(yīng)用程序之間

的虛擬電路。出站連接只能建立在處于正確狀態(tài)的INETBSD套接字上，因此，不

能建立于已建立連接的套接字，也不能建立于用于監(jiān)聽入站連接的套接字。也就是

說，該BSDsocket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)必須為SS_UNC0NNECTEDo

在建立連接過程中，雙方TCP要進(jìn)行三次“握手”，具體過程在本章第二節(jié)一

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一文中有詳細(xì)介紹。如果TCPsock正在等待傳入消息，則該sock結(jié)構(gòu)

添加到tcp_listening_hash表中，這樣，傳入的TCP消息就可以定向到該sock

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

由于客戶端不需要固定的端口號，因此不必調(diào)用bind。，客戶端的端口號由內(nèi)核自

動(dòng)分配。注意，客戶端不是不允許調(diào)用bind。，只是沒有必要調(diào)用bind。固定一個(gè)端

口號，服務(wù)器也不是必須調(diào)用bind(),但如果服務(wù)器不調(diào)用bind(),內(nèi)核會(huì)自動(dòng)給服

務(wù)器分配監(jiān)聽端口，每次啟動(dòng)服務(wù)器時(shí)端口號都不一樣，客戶端要連接服務(wù)器就會(huì)

遇到麻煩。

intconnect(intsockfd,conststructsockaddr*servaddr,

socklentaddrlen);

客戶端需要調(diào)用connect。連接服務(wù)器,connect和bind的參數(shù)形式一致，區(qū)別在于bind的參數(shù)是自

己的地址，而connect的參數(shù)是對方的地址。connect。成功返回0,出錯(cuò)返回-1。

4.監(jiān)聽(listen)INETBSD套接字

intlisten(intsockfd,intbacklog);

典型的服務(wù)器程序可以同時(shí)服務(wù)于多個(gè)客戶端，當(dāng)有客戶端發(fā)起連接時(shí)，服務(wù)器調(diào)用的accept。返回

并接受這個(gè)連接，如果有大量的客戶端發(fā)起連接而服務(wù)器來不及處理，尚未accept的客戶端就處于

連接等待狀態(tài),listen。聲明sockfd處于監(jiān)聽狀態(tài)，并且最多允許有backlog個(gè)客戶端處于連接待狀態(tài),

如果接收到更多的連接請求就忽略。listen。成功返回0,失敗返回-1。

當(dāng)某個(gè)套接字被綁定了地址之后，該套接字就可以用來監(jiān)聽專屬于?該綁定地址的傳入連接。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)

用程序也可以在未綁定地址之前監(jiān)聽套接字，這肘，INET套接字層將利用空閑的端口編號并自動(dòng)綁

定到該套接字。套接字的監(jiān)聽函數(shù)將socket的狀態(tài)改變?yōu)門CP_LISTENo

當(dāng)接收到某個(gè)傳入的TCP連接請求時(shí),TCP建匯?個(gè)新的sock數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述該連接。當(dāng)該連接

最終被接受時(shí)，新的sock數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將變成該TCP連接的內(nèi)核bottom_half部分，這時(shí)，它要克隆

包含連接請求的傳入sk_buff中的信息，并在監(jiān)聽sock數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的receive_queue隊(duì)列中將克隆

的信息排隊(duì)?？寺〉膕k_buff中包含有指向新sock數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針。

5.接受連接請求(accept)

接受操作在監(jiān)聽套接字上進(jìn)行，從監(jiān)聽socket中克隆一個(gè)新的socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

其過程如下：接受操作首先傳遞到支持協(xié)議層，即