网络编程学习2--套接字、地址

发表于

socket英文意思是”插口”,在网络编程中,它的寓意是可以通过插口接入的方式，快速完成网络连接和数据收发.

客户端和服务器工作的核心逻辑

客户端和服务器工作的核心逻辑.png
服务器端:

  1. 初始化socket(在客户端发起连接请求前,服务器必须先初始化好).
  2. 执行bind函数(将自己的服务能力绑定到一个众所周知的地址和端口上)
  3. 执行listen操作(将原先的socket转换为服务端的socket)
  4. 服务器阻塞在accept上,等待客户端请求的到来

客户端:

  1. 初始化socket
  2. 执行connect向服务器端的地址和端口发起连接请求(地址和端口是客户端预先知道的).

建立连接后,就可以进行数据传输了.

客户端进程向操作系统内核发起 write 字节流写操作，内核协议栈将字节流通过网络设备传输到服务器端，服务器端从内核得到信息，将字节流从内核读入到进程中，并开始业务逻辑的处理，完成之后，服务器端再将得到的结果以同样的方式写给客户端。可以看到，一旦连接建立，数据的传输就不再是单向的，而是双向的，这也是 TCP 的一个显著特性。

当客户端和服务器端完成交互后,需要断开连接时,就会执行close函数.操作系统内核此时会通过原先的连接链路向服务器端发送一个 FIN 包，服务器收到之后执行被动关闭，这时候整个链路处于半关闭状态，此后，服务器端也会执行 close 函数，整个链路才会真正关闭。半关闭的状态下，发起 close 请求的一方在没有收到对方 FIN 包之前都认为连接是正常的；而在全关闭的状态下，双方都感知连接已经关闭。

以上所有操作都是通过socket来完成的,socket是用来建立连接,传输数据的唯一途径.

socket地址格式

在使用socket时,首先要解决双方的寻址问题,由于需要socket的地址来建立连接,所以我们首先需要找到这个地址. 就像打电话(使用socket进行通信)时首先需要查找电话簿(寻址)，找到你想要联系的那个人，你才可以建立连接，开始交流

通用sokcet地址格式

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C复制代码/* POSIX.1g 规范规定了地址族为2字节的值.  */
typedef unsigned short int sa_family_t;
/* 描述通用套接字地址  */
struct sockaddr{
    sa_family_t sa_family;  /* 地址族.  16-bit*/
    char sa_data[14];   /* 具体的地址值 112-bit */
  };

在这个结构体里，第一个字段是地址族，它表示使用什么样的方式对地址进行解释和保存，好比电话簿里的手机号格式，或者是固话格式，这两种格式的长度和含义都是不同的.地址族在 glibc 里的定义非常多，常用的有以下几种：

  • AF_LOCAL：表示的是本地地址，对应的是 Unix 套接字，这种情况一般用于本地 socket 通信，很多情况下也可以写成 AF_UNIX、AF_FILE；
  • AF_INET：因特网使用的 IPv4 地址；
  • AF_INET6：因特网使用的 IPv6 地址

这里的 AF_ 表示的含义是 Address Family，即地址族, 但是很多情况下，我们也会看到以 PF_ 表示的宏，比如 PF_INET、PF_INET6 等，实际上 PF_ 的意思是 Protocol Family，也就是协议族的意思。我们用 AF_xxx 这样的值来初始化 socket 地址，用 PF_xxx 这样的值来初始化 socket。我们在<sys/socket.h>头文件中可以清晰地看到，这两个值本身就是一一对应的。

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C复制代码/* 各种地址族的宏定义  */
#define AF_UNSPEC PF_UNSPEC
#define AF_LOCAL  PF_LOCAL
#define AF_UNIX   PF_UNIX
#define AF_FILE   PF_FILE
#define AF_INET   PF_INET
#define AF_AX25   PF_AX25
#define AF_IPX    PF_IPX
#define AF_APPLETALK  PF_APPLETALK
#define AF_NETROM PF_NETROM
#define AF_BRIDGE PF_BRIDGE
#define AF_ATMPVC PF_ATMPVC
#define AF_X25    PF_X25
#define AF_INET6  PF_INET6

通用地址结构中的通用的意思是适用于多种地址族.

IPv4 socket地址格式

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C复制代码/* IPV4套接字地址，32bit值.  */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
  {
    in_addr_t s_addr;
  };
  
/* 描述IPV4的套接字地址格式  */
struct sockaddr_in
  {
    sa_family_t sin_family; /* 16-bit */  /* 地址族 */
    in_port_t sin_port;     /* 端口号  16-bit*/
    struct in_addr sin_addr;    /* Internet address. 32-bit */ /* 具体的地址值(IPv4的地址是32bit的) */


    /* 这里仅仅用作占位符，不做实际用处  */
    unsigned char sin_zero[8];
  };

和通用地址格式一样,都有一个16bit的sin_family字段,对于IPv4来说这个字段的值就是AF_INET.

对于端口号,我们可以看到端口号最多是 16-bit，也就是说最大支持 2 的 16 次方，这个数字是 65536，所以我们应该知道支持寻址的端口号最多就是 65535。有一些保留端口,即约定俗成的,已经被对应服务广为使用的端口,如ssh的22端口,http的80端口,一般而言,大于5000的端口可以作为我们自己应用程序的端口使用.

glibc定义的保留端口如下:

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C复制代码
/* Standard well-known ports.  */
enum
  {
    IPPORT_ECHO = 7,    /* Echo service.  */
    IPPORT_DISCARD = 9,   /* Discard transmissions service.  */
    IPPORT_SYSTAT = 11,   /* System status service.  */
    IPPORT_DAYTIME = 13,  /* Time of day service.  */
    IPPORT_NETSTAT = 15,  /* Network status service.  */
    IPPORT_FTP = 21,    /* File Transfer Protocol.  */
    IPPORT_TELNET = 23,   /* Telnet protocol.  */
    IPPORT_SMTP = 25,   /* Simple Mail Transfer Protocol.  */
    IPPORT_TIMESERVER = 37, /* Timeserver service.  */
    IPPORT_NAMESERVER = 42, /* Domain Name Service.  */
    IPPORT_WHOIS = 43,    /* Internet Whois service.  */
    IPPORT_MTP = 57,


    IPPORT_TFTP = 69,   /* Trivial File Transfer Protocol.  */
    IPPORT_RJE = 77,
    IPPORT_FINGER = 79,   /* Finger service.  */
    IPPORT_TTYLINK = 87,
    IPPORT_SUPDUP = 95,   /* SUPDUP protocol.  */


    IPPORT_EXECSERVER = 512,  /* execd service.  */
    IPPORT_LOGINSERVER = 513, /* rlogind service.  */
    IPPORT_CMDSERVER = 514,
    IPPORT_EFSSERVER = 520,

    /* UDP ports.  */
    IPPORT_BIFFUDP = 512,
    IPPORT_WHOSERVER = 513,
    IPPORT_ROUTESERVER = 520,


    /* Ports less than this value are reserved for privileged processes.  */
    IPPORT_RESERVED = 1024,


    /* Ports greater this value are reserved for (non-privileged) servers.  */
    IPPORT_USERRESERVED = 5000

IPv6 socket地址格式

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C复制代码struct sockaddr_in6
  {
    sa_family_t sin6_family; /* 16-bit */ /* 地址族 值为AF_INET6 */
    in_port_t sin6_port;  /* 传输端口号 # 16-bit */
    uint32_t sin6_flowinfo; /* IPv6流控信息 32-bit*/
    struct in6_addr sin6_addr;  /* IPv6地址128-bit */
    uint32_t sin6_scope_id; /* IPv6域ID 32-bit */
  };

整个结构体长度是 28 个字节，其中流控信息和域 ID 先不用管，这两个字段，一个在 glibc 的官网上根本没出现，另一个是当前未使用的字段。这里的地址族显然应该是 AF_INET6，端口同 IPv4 地址一样，关键的地址从 32 位升级到 128 位，这个数字就大到恐怖了，完全解决了寻址数字不够的问题。

本地socket地址格式

前面的IPv4和IPv6地址格式都是因特网socket的格式,而本地socket格式是用来作为本地进程间的通信的,也就是前面提到的 AF_LOCAL

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C复制代码struct sockaddr_un {
    unsigned short sun_family; /* 固定为 AF_LOCAL */
    char sun_path[108];   /* 路径名 */
};

几种socket地址格式的比较

IPv4和IPv6的socket地址格式的长度是固定的,而本地socket地址格式的长度是可变的.

几种socket地址格式的比较.png

问题

  1. 这些socket地址格式有什么共性?
    都具有地址族字段和地址字段(本地socket地址格式中,路径名即是地址).

通过通用socket地址格式来提供一个统一的接口,然后通过地址族字段来确定具体是什么类型的地址.
2. 为什么本地socket格式不需要端口号，而 IPv4 和 IPv6 socket格式却需要端口号?
在unix系统中,一切皆文件,socket也是文件.

本地socket本质上是在访问本地的文件系统,根据文件路径就可以区分,所以不需要端口号.而远程socket是直接将一段字节流发送到远程计算机的一个进程,而远程计算机可能同时有多个进程在进行监听,所以需要用端口号标志发给哪一个进程.

本文转载自: 掘金

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