Linux 系统编程 学习：008-基于socket的网络编程3：基于 TCP 的通信

背景

上一讲我们介绍了 基于UDP 的通信

这一讲我们来看 TCP 通信。

知识

TCP(Transmission Control Protoco 传输控制协议)。

TCP是一种面向广域网的通信协议，目的是在跨越多个网络通信时，为两个通信端点之间提供一条具有下列特点的通信方式：

• 基于流的方式；

• 面向连接；

• 可靠通信方式；

• 在网络状况不佳的时候尽量降低系统由于重传带来的带宽开销；

• 通信连接维护是面向通信的两个端点的，而不考虑中间网段和节点。

为满足TCP协议的这些特点，TCP协议做了如下的规定：

• 数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组；
• 到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认；
• 超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片；
• 滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；
• 失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层；
• 重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据；
• 数据校验：TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发。

%% 时序图
sequenceDiagram
participant Server
participant Client

%% Note right of Client: Client主动连接->
Note right of Server: 双方都创建socket对象

Server ->> Server: socket
Client ->> Client: socket

Note left of Server: 服务器一般绑定端口号
Server ->> Server: bind

Note left of Server: 服务器监听是否有连接请求
Server ->> Server: listen

Note left of Client: 客户端请求链接
Client ->> Server: connect

Server ->> Server: accept

Note right of Server: 收发消息
Client -->> Server: send/recv
Server -->> Client: send/recv

Note right of Server: 关闭连接

Client --> Client: close
Server --> Server: close

有关函数介绍

根据流程图，我们知道，在UDP通信中，使用到了这些函数：socket()、bind()、sendto()、recvfrom()。

上面的函数我们在《基于UDP 的通信》 中已经讲过，这里不再重复了。

在TCP中，多了这几个函数：listen()、connect()、accept()。

服务器调用listen 监听 客户端的 connect；listen成功时，服务器使用由accept获取到的新的套接字进行通信。

当客户端调用connect函数时，将引发三次握手过程：客户端首先发送SYN请求分组，此时服务端会将请求放入SYN队列，同时向客户端发送ACK确认报文，然后客户端向服务端再次发送ACK报文。服务端收到ACK确认报文后，将SYN里的连接请求移入ACCEPT队列。此时三次握手结束，即TCP连接成功建立。然后内核通知用户空间的阻塞的服务进程，服务进程调用accept仅仅是从ACCEPT队列里取出一个连接而已。也就是说客户端调用connect连接服务器，与服务器调用accept“接受”连接是两个独立的过程。

参考：《服务端不调用accept，客户端connect能否成功？》

listen

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

描述： 将尚未建立连接的socket转换为被动socket，并监听发给这个被动socket的connect请求。

参数解析：

sockfd：由socket函数成功返回的值

backlog ：内核应该为相应套接口排队的最大连接个数（不是用来限制socket的最大连接数），一般为以下两个队列的大小之和，即未完成三次握手队列 + 已经完成三次握手队列。即：TCP模块允许的已完成三次握手过程(TCP模块完成)但还没来得及被应用程序accept的最大链接数。

内核为任何一个给定的监听套接口维护两个队列：

1、未完成连接队列（incomplete connection queue），每个这样的SYN分节对应其中一项：已由某个客户发出并到达服务器，而服务器正在等待完成相应的TCP三次握手过程。这些套接口处于SYN_RCVD状态。

2、已完成连接队列（completed connection queue），每个已完成TCP三次握手过程的客户对应其中一项。这些套接口处于ESTABLISHED状态。

当来自客户的SYN到达时，TCP在 未完成连接队列 中创建一个新项，然后响应以三次握手的第二个分节：服务器的SYN响应，其中稍带对客户SYN的ACK（即SYN+ACK）。这一项一直保留在未完成连接队列中，直到三路握手的第三个分节（客户对服务器SYN的ACK）到达或者该项超时为止（曾经源自Berkeley的实现为这些未完成连接的项设置的超时值为75秒）。如果三路握手正常完成，该项就从未完成连接队列移到已完成连接队列的队尾。当进程调用accept时，已完成连接队列中的队头项将返回给进程，或者如果该队列为空，那么进程将被投入睡眠，直到TCP在该队列中放入一项才唤醒它。

返回值： 成功返回0，失败返回-1，置errno：

• EADDRINUSE：另一个套接字已在同一端口上侦听。
• EADDRINUSE：（Internet域套接字）sockfd引用的套接字以前没有绑定到地址，在尝试将其绑定到临时端口时，确定临时端口范围中的所有端口号当前都在使用中。
• EBADF：参数sockfd不是有效的描述符。
• ENOTSOCK：文件描述符sockfd没有引用套接字。
• EOPNOTSUPP：套接字的类型不支持listen（）操作。

主动socket和被动socket

一般来说，使用socket函数创建的socket默认是主动socket，这意味着一个主动的socket可以调用connect跟一个被动socket建立一个连接，对主动socket来说，这叫主动打开。

被动socket是一个通过调用listen函数监听要发起连接的socket，当被动socket接受一个连接通常称为被动打开。

在大多数网络程序中，服务端会作为被动socket被动接受连接，而客户端会作为主动socket主动发起连接。

服务端通过socket函数创建的socket是主动socket，而listen函数就是把这个还未接受连接的主动socket转换为被动socket，因为服务端只需要被动接受客户端的连接请求。

Linux系统设置未连接队列最大数限制

linux系统tcp/ip协议栈有个选项可以设置未连接队列大小限制tcp_max_syn_backlog

可以通过命令：cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 查看

Linux 系统中提供somaxconn这个参数，它定义了系统中每一个端口最大的监听队列的长度,这是个全局的参数,默认值为128

可以通过命令： cat /proc/sys/net/core/somaxconn 查看

connect

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

描述： 连接一个被动socket

参数解析：

sockfd：主动socket

addr：目的地址

addrlen：地址属性的长度（addr的大小）

返回值：成功返回0，失败返回-1，置errno：

• EAFNOSUPPORT：传递的地址在其sau family字段中没有正确的地址系列。
• EAGAIN ：路由缓存中的条目不足。
• EALREADY：套接字未阻塞，上一次连接尝试尚未完成。
  
  EBADF：文件描述符不是描述符表中的有效索引。
• ECONNREFUSED：没有人监听远程地址。
• EFAULT ：套接字结构地址在用户的地址空间之外。
• EINPROGRESS：套接字未阻塞，无法立即完成连接。可以通过选择要写入的套接字来选择（2）或轮询（2）以完成。
• EINTR ：系统调用被捕获的信号中断。
• EISCONN：套接字已连接。
• ENETUNREACH：无法访问网络。
• ENOTSOCK：sockfd不是套接字。
• EPROTOTYPE：套接字类型不支持请求的通信协议。例如，在尝试将UNIX域数据报套接字连接到流套接字时，可能会发生此错误。
• ETIMEDOUT：尝试连接时超时。服务器可能太忙，无法接受新连接。请注意，对于IP套接字，当服务器上启用Syncookie时，超时可能非常长。

accept

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

#define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
#include <sys/socket.h>

int accept4(int sockfd, struct sockaddr *addr,
            socklen_t *addrlen, int flags);

描述： 从内核的ACCEPT队列中取出对应被动socket的连接，关于连接的有关属性填入addr中。

参数解析：

sockfd：对应的被动socket

addr：保存连接方的addr属性的容器

len：addr属性的长度

返回值： 成功返回可用于连接的新socket，失败返回-1，置errno：

此外，可能会返回新套接字的网络错误以及为协议定义的网络错误。各种Linux内核可以返回其他错误，例如ENOSR、ESOCKTNOSUPPORT、EPROTONOSUPPORT、ETIMEDOUT。在跟踪期间可以看到值ERESTARTSYS。

• EMFILE ：已达到打开的文件描述符数的每个进程限制

• ENFILE ：已达到系统范围内打开文件总数的限制

• ENOBUFS, ENOMEM：没有足够的可用内存。这通常意味着内存分配受到套接字缓冲区限制，而不是系统内存的限制

• ENOTSOCK sockfd不是套接字

• EOPNOTSUPP 引用的套接字不是SOCK_STREAM类型

• EPROTO ：协议错误

• EPERM (Linux) ：防火墙规则禁止连接

例程

我们简单地进行一次TCP对答通信的实现

server.c

/*
#    Copyright By Schips, All Rights Reserved
#    https://gitee.com/schips/
#
#    File Name:  server.c
#    Created  :  Sat 21 Mar 2020 04:43:39 PM CST
*/

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

typedef struct _info {
    char name[10];
    char text[54];
}info;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int my_socket;
    unsigned int len;
    int ret;

    // 创建套接字
    my_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // IPV4, TCP socket
    if(my_socket == -1) { perror("Socket"); }
    printf("Creat a socket :[%d]\n", my_socket);

    // 用于接收消息
    info buf ={0};

    // 指定地址
    struct sockaddr_in addr = {0};
    addr.sin_family = AF_INET;  // 地址协议族
        addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");   //指定 IP地址
        addr.sin_port = htons(12345); //指定端口号

    // 服务器 绑定
    bind(my_socket, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

    // my_socket 只用于监听
    ret = listen(my_socket, 10);
    if(-1 == ret) { perror("listen"); }
    printf("Listening\n");

    int new_socket;
    struct sockaddr_in new = {0};
    int new_addr_size;
    // accept以后会返回一个新的套接字，用于与客户端通信
    new_socket = accept(my_socket, (struct sockaddr*)&new, &new_addr_size);
    printf("New socket is %d\n", new_socket);
    perror("accept");

    // 接收并打印消息
    //recvfrom(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
    recv(new_socket, &buf, sizeof(buf), 0);
        perror("recvfrom");

    printf("%s: %s\n", buf.name, buf.text);

    // 回复消息
    sprintf(buf.name, "Server");
    sprintf(buf.text, "Had recvied your message");
    //sendto(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
    send(new_socket, &buf, sizeof(buf), 0);
    perror("sendto");

    // 关闭连接
    //shutdown(my_socket, SHUT_RDWR); perror("shutdown");
    close(new_socket); perror("close");
    return close(my_socket); perror("close");
    printf("%d\n", errno);
    return errno;
}

client.c

/*
#    Copyright By Schips, All Rights Reserved
#    https://gitee.com/schips/
#
#    File Name:  client.c
#    Created  :  Sat 21 Mar 2020 04:43:39 PM CST
*/

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

typedef struct _info {
    char name[10];
    char text[54];
}info;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int my_socket;
    unsigned int len;
    int ret;

    // 创建套接字
    my_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // IPV4, TCP socket
    if(my_socket == -1) { perror("Socket"); }
    printf("Creat a socket :[%d]\n", my_socket);

    // 用于接收消息
    info buf ={0};

    // 指定地址
    struct sockaddr_in addr = {0};
    addr.sin_family = AF_INET;  // 地址协议族
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");   //指定 IP地址
    addr.sin_port = htons(12345); //指定端口号

    // 用于连接服务器
    connect(my_socket, (struct sockaddr *)(&addr), sizeof(struct sockaddr_in));
    if(-1 == ret) { perror("connect"); }
    printf("connected\n");

    // 回复消息
    sprintf(buf.name, "Client");
    sprintf(buf.text, "Hello tcp text.");
    //sendto(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
    send(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0);
    perror("sendto");

    // 接收并打印消息
    //recvfrom(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
    recv(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0);
    perror("recvfrom");

    printf("%s: %s\n", buf.name, buf.text);

    // 关闭连接
    //shutdown(my_socket, SHUT_RDWR); perror("shutdown");

    return close(my_socket); perror("close");
    printf("%d\n", errno);
    return errno;
}