Linux 进程间套接字通信（Socket)基础知识

姓名：罗学元    学号：21181214375    学院：广州研究院

【嵌牛导读】Linux进程间套接字通信基础

【嵌牛鼻子】Linux 进程间套接字及通信介绍

【嵌牛提问】Linux进程间套接字包含哪些内容，如何实现通信

一、套接字（Socket）通信原理

套接字通信允许互联的位于不同计算机上的进程之间实现通信功能。

二、套接字的属性

套接字的特性由3个属性确定，它们分别是：域、类型和协议。

1. 套接字的域

它指定套接字通信中使用的网络介质，最常见的套接字域是AF_INET，它指的是Internet网络。当客户使用套接字进行跨网络的连接时，它就需要用到服务器计算机的IP地址和端口来指定一台联网机器上的某个特定服务，所以在使用socket作为通信的终点，服务器应用程序必须在开始通信之前绑定一个端口，服务器在指定的端口等待客户的连接。

另一个域AF_UNIX表示UNIX文件系统，就是文件输入/输出，它的地址就是文件名。

2. 套接字类型

因特网提供了两种通信机制：流（stream）和数据报（datagram），因而套接字的类型也就分为流套接字和数据报套接字。我们主要看流套接字。

流套接字由类型SOCK_STREAM指定，它们是在AF_INET域中通过TCP/IP连接实现，同时也是AF_UNIX中常用的套接字类型。

流套接字提供的是一个有序、可靠、双向字节流的连接，因此发送的数据可以确保不会丢失、重复或乱序到达，而且它还有一定的出错后重新发送的机制。

与流套接字相对的是由类型SOCK_DGRAM指定的数据报套接字，它不需要建立连接和维持一个连接，它们在AF_INET中通常是通过UDP/IP实现的。它对可以发送的数据的长度有限制，数据报作为一个单独的网络消息被传输，它可能丢失、复制或错乱到达，UDP不是一个可靠的协议，但是它的速度比较高，因为它并不需要总是要建立和维持一个连接。

3.套接字协议

只要底层的传输机制允许不止一个协议来提供要求的套接字类型，我们就可以为套接字选择一个特定的协议。通常只需要使用默认值。

三、套接字地址

每个套接字都有其自己的地址格式，对于AF_UNIX域套接字来说，它的地址由结构sockaddr_un来描述，该结构定义在头文件

struct sockaddr_un{

sa_family_t sun_family  //AF_UNIX，它是一个短整型

char sum_path[]  //路径名

}

对于AF_INET域套接字来说，它的地址结构由sockaddr_in来描述，它至少包括以下几个成员：

struct sockaddr_in{

short int sin_family  //AN_INET

unsigned short int sin_port  //端口号

struct in_addr sin_addr    //IP地址

}

而in_addr被定义为：

struct in_addr{

unsigned long int s_addr

}

四、基于流套接字的客户/服务器的工作流程

使用socket进行进程通信的进程采用的客户/服务器系统是如何工作的呢？

1.服务器端

首先，服务器应用程序用系统调用socket来创建一个套接字，它是系统分配给该服务器进程的类似文件描述符的资源，它不能与其他的进程共享。

接下来，服务器进程会给套接字起个名字，我们使用系统调用bind来给套接字命名。然后服务器进程就开始等待客户连接到这个套接字。

然后，系统调用listen来创建一个队列，并将其用于存放来自客户的进入连接。

最后，服务器通过系统调用accept来接受客户的连接。它会创建一个与原有的命名套接不同的新套接字，这个套接字只用于与这个特定客户端进行通信，而命名套接字（即原先的套接字）则被保留下来继续处理来自其他客户的连接。

2.客户端

基于socket的客户端比服务器端简单。同样，客户应用程序首先调用socket来创建一个未命名的套接字，然后讲服务器的命名套接字作为一个地址来调用connect与服务器建立连接。

一旦连接建立，我们就可以像使用底层的文件描述符那样用套接字来实现双向数据的通信。

socket - Linux 套接字接口

本手册页描述了 Linux 网络套接字层用户接口。 套接字是用户进程和内核中网络协议栈之间的统一接口。 协议模块分为协议族(protocol families)（如 AF_INET、AF_IPX 和 AF_PACKET）和套接字类型(socket types)（如 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM）。 有关families和types的更多信息，请参阅 socket(2) 。

用户进程使用这些函数来发送或接收数据包以及执行其他套接字 *** 作。 有关更多信息，请参阅它们各自的手册页。

socket(2) 创建套接字，connect(2) 将套接字连接到远程套接字地址，bind(2) 函数将套接字绑定到本地套接字地址，listen(2) 告诉套接字应接受新连接， accept(2) 用于获取具有新传入连接的新套接字。 socketpair(2) 返回两个连接的匿名套接字（仅为少数本地families如 AF_UNIX 实现）

send(2)、sendto(2) 和sendmsg(2) 通过套接字发送数据，而recv(2)、recvfrom(2)、recvmsg(2) 从套接字接收数据。 poll(2) 和 select(2) 等待数据到达或准备好发送数据。 此外，还可以使用 write(2)、writev(2)、sendfile(2)、read(2) 和 readv(2) 等标准 I/O *** 作来读取和写入数据。

getsockname(2) 返回本地套接字地址， getpeername(2) 返回远程套接字地址。 getsockopt(2) 和 setsockopt(2) 用于设置或获取套接字层或协议选项。 ioctl(2) 可用于设置或读取一些其他选项。

close(2) 用于关闭套接字。 shutdown(2) 关闭全双工套接字连接的一部分。

套接字不支持使用非零位置查找或调用 pread(2) 或 pwrite(2)。

通过使用 fcntl(2) 在套接字文件描述符上设置 O_NONBLOCK 标志，可以在套接字上执行非阻塞 I/O。 然后所有会阻塞的 *** 作（通常）将返回 EAGAIN（ *** 作应稍后重试）； connect(2) 将返回 EINPROGRESS 错误。 然后用户可以通过 poll(2) 或 select(2) 等待各种事件。

如果不使用poll(2) 和 select(2) ，还让内核通过 SIGIO 信号通知应用程序有关事件的信息。 为此，必须通过 fcntl(2) 在套接字文件描述符上设置 O_ASYNC 标志，并且必须通过 sigaction(2) 安装有效的 SIGIO 信号处理程序。 请参阅下面的信号讨论。

每个套接字域(families)都有自己的套接字地址格式，具有特定于域的地址结构。 这些结构的首字段都是整数类型的“家族”字段（类型为 sa_family_t），即指出自己的套接字域或者说是protocol families。 这允许对所有套接字域可以使用统一的系统调用(例如，connect(2)、bind(2)、accept(2)、getsockname(2)、getpeername(2))，并通过套接字地址来确定特定的域。

为了允许将任何类型的套接字地址传递给套接字 API 中的接口，定义了类型 struct sockaddr。 这种类型的目的纯粹是为了允许将特定于域的套接字地址类型转换为“通用”类型，以避免编译器在调用套接字 API 时发出有关类型不匹配的警告。

struct sockaddr 以及在AF_INET常用的地址结构struct sockaddr_in如下所示，sockaddr_in.sin_zero是占位符：

此外，套接字 API 提供了数据类型 struct sockaddr_storage。 这种类型适合容纳所有支持的特定于域的套接字地址结构； 它足够大并且正确对齐。 （特别是它足够大，可以容纳 IPv6 套接字地址。）同struct sockaddr一样，该结构体包括以下字段，可用于标识实际存储在结构体中的套接字地址的类型： sa_family_t ss_family

sockaddr_storage 结构在必须以通用方式处理套接字地址的程序中很有用（例如，必须同时处理 IPv4 和 IPv6 套接字地址的程序）。

下面列出的套接字选项可以使用setsockopt(2) 设置并使用getsockopt(2) 读取。

当写入已关闭（由本地或远程端）的面向连接的套接字时，SIGPIPE 被发送到写入进程并返回 EPIPE。 当写调用指定 MSG_NOSIGNAL 标志时，不发送信号。

当使用 FIOSETOWN fcntl(2) 或 SIOCSPGRP ioctl(2) 请求时，会在 I/O 事件发生时发送 SIGIO。 可以在信号处理程序中使用 poll(2) 或 select(2) 来找出事件发生在哪个套接字上。 另一种方法（在 Linux 2.2 中）是使用 F_SETSIG fcntl(2) 设置实时信号； 实时信号的处理程序将使用其 siginfo_t 的 si_fd 字段中的文件描述符调用。 有关更多信息，请参阅 fcntl(2)。

在某些情况下（例如，多个进程访问单个套接字），当进程对信号做出反应时，导致 SIGIO 的条件可能已经消失。 如果发生这种情况，进程应该再次等待，因为 Linux 稍后会重新发送信号。

核心套接字网络参数可以通过目录 /proc/sys/net/core/ 中的文件访问。

These operations can be accessed using ioctl(2):

error = ioctl(ip_socket, ioctl_type, &value_result)

Valid fcntl(2) operations:

Linux assumes that half of the send/receive buffer is used for internal kernel structuresthus the values in the corresponding /proc files are twice what can be observed on the wire. Linux will allow port reuse only with the SO_REUSEADDR option when this option was set both in the previous program that performed a bind(2) to the port and in the program that wants to reuse the port. This differs from some implementations (e.g., FreeBSD) where only the later program needs to set the SO_REUSEADDR option. Typically this difference is invisible, since, for example, a server program is designed to always set this option.

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