APUE-第16章-网络IPC-套接字

2021-11-28

套接字描述符

套接字是通信端点的抽象，和文件描述符类似，程序通过套接字描述符访问套接字。事实上，套接字在UNIX中就是一种文件描述符，许多处理文件描述符的函数（如read、write）也可以用于处理套接字。

socket函数创建一个套接字。

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);
                                返回值：若成功，返回文件描述符（套接字）；若出错，返回-1

参数domain（域）描述了通行的特性，有以下取值：

AF_INET：IPv4因特网域
AF_INET6：IPv6因特网域
AF_UNIX：UNIX域
AF_UPSPEC：未指定

参数type确定套接字类型，POSIX.1定义了以下套接字类型：

SOCK_DGRAM：固定长度、无连接的、不可靠的报文传递
SOCK_RAW：IP协议的数据报接口（POSIX.1中可选）
SOCK_SEQPACKET：固定长度的、有序的、可靠的、面向连接的报文传递
SOCK_STREAM：有序的、可靠的、双向的、面向连接的字节流

SOCK_STREAM提供字节流服务，应用程序分辨不出报文界限，从该套接字读取数据时，不会返回发送进程的所有字节数，需要多次函数调用才能获得所有数据。

SOCK_SEQPACKET提供基于报文服务，从该套接字获取的数据量与发送方一致。SCTP提供因特网域上的顺序数据包服务。

SOCK_RAW提供数据报接口，直接访问下层网络层（即IP层），应用程序自己负责构造协议头部。

参数protocol通常为0，表示给定的域和套接字类型选择默认协议。AF_INET中，type为SOCK_STREAM默认协议为TCP；AF_INET中，type为SOCK_DGRAM默认协议为UDP。

调用close可以关闭对套接字的访问，释放该套接字以重新使用。

函数shutdown可以禁止一个套接字的I/O

#include <sys/socket.h>

int shutdown(int sockfd, int how);
                                返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

参数how为SHUT_RD，表示关闭读端，无法从套接字读取数据；若为SHUT_WR，表示关闭写端，无法向套接字发送数据；若为SHUT_RDWR，表示即无法读取数据，也无法发送数据。

寻址

进程标识用于标志一个通行目标进程，由两部分组成：一部分为计算机的网络地址，标识了想要通信的计算机；另一部分为端口号，标识了特定的进程。

字节序

与不同计算机的进程通信，需要考虑字节序，字节序有大端法和小端法。Linux、FreeBSD、MAC OS为小端法，Solaris为大端法。

网络协议指定了字节序，因此计算机通信时不会被字节序混淆。TCP/IP协议为大端字节序。

对于TCP/IP应用程序，有4个函数用于主机字节序与网络字节序之间的转换。

#include <arpa/inet.h>

uint32_t htonl(uint32_t hostint32);
                                返回值：以网络字节序表示的32位整数
uint16_t htons(uint16_t hostint16);
                                返回值：以网络字节序表示的16位整数
uint32_t ntohl(uint32_t netint32);
                                返回值：以主机字节序表示的32位整数
uint16_t ntohs(uint16_t netint16);
                                返回值：以主机字节序表示的16位整数

h表示主机，n表示网络，l表示长（4字节）整数、s表示短（2字节）整数。

地址格式

为使不同地址能够传入套接字函数，地址会被强制转换成一个通用地址结构sockaddr：

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;  //address family
    char        sa_data[];  //variable-length address
    ...
};

套接字实现可以自由添加额外成员。

在IPv4因特网域（AF_INET）中，套接字结构为sockaddr_in：

struct in_addr {
    in_addr_t   s_addr; //IPv4 address
};
struct sockaddr_in {
    sa_family_t     sin_family; //通信域
    in_port_t       sin_port;   //端口号
    struct in_addr  sin_addr;   //IPv4地址
};

IPv6因特网域（AF_INET6）套接字结构为sockaddr_in6：

struct in6_addr {
    uint8_t s6_addr[16];    //IPv6地址
};
struct sockaddr_in6 {
    sa_family_t     sin6_family;    //通信域
    in_port_t       sin6_port;      //端口号
    uint32_t        sin6_flowinfo;  //traffic class and flow info
    struct in6_addr sin6_addr;      //IPv6地址
    uint32_t        sin6_scope_id;  //set of interfaces for scope
};

尽管sockaddr_in和sockaddr_in6结构相差较大，但它们均被强制转换成sockaddr结构输入套接字程序中。

函数inet_ntop和inet_pton用于二进制地址格式和点分十进制表示（a.b.c.d）之间的转换，并且同时支持IPv4和IPv6。

#include <arpa/inet.h>

const char *inet_ntop(int domain, const void *restrict addr, 
                        char *restrict str, socklen_t size);
                                返回值：若成功，返回地址字符串指针；若出错，返回NULL

int inet_pton(int domain, const char *restrict str,
                void *restrict addr);
                                返回值：若成功，返回1；若格式无效，返回0；若出错，返回-1

inet_ntop将网络字节序的二进制地址转换成文本字符串格式，inet_pton将文本字符串格式转换成网络字节序的二进制地址。

参数domain只支持AF_INET和AF_INET6。

参数size指定了保存文本字符串的str的大小，INET_ADDRSTRLEN定义了足够存放IPv4的大小，INET6_ADDRSTRLEN定义了足够存放IPv6的大小。