一、基礎

1.1 套接字定義

套接字是網絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O備。我們可以通過套接字完成數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 相關函數(shù)

網絡編程中接受連接請求的套接字創(chuàng)建過程如下：

調用socket函數(shù)創(chuàng)建套接字
調用bind函數(shù)分配IP和端口號
調用listen函數(shù)轉換為可接受請求狀態(tài)
調用accept受理連接請求

Linux平臺相關函數(shù)

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
     成功返回文件描述符，失敗返回-1
int bind(int socketfd, struct sockadr* myaddr, socklen_t addrlen);
int listen(int socketfd, int backlog);
int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);
int connect(int sockdf, struct sockaddr* serv_addr, socklen_t addrlen);
     成功返回0，失敗返回-1

Windows平臺相關函數(shù)

#include <winsock2.h>
//需要鏈接ws2_32.lib
  //初始化
int WSAStartup(WORD wVersionRequested,LPWSADATA lpwSAData);
        成功返回0，失敗返回錯誤代碼
        wVersionRequested    使用的Winsock版本信息
        lpwSAData                   WSADATA結構體變量的地址
MAKEWORD(1，2);  //宏函數(shù)，主版本為1，副版本2，返回0x0201
//注銷
int WSACleanup();
   成功返回0，失敗返回SOCKET_ERROR
//套接字
SOCKET socket（int af, int type, int protocol);
   成功時返回套接字句柄，失敗返回INVALID_SOCKET
int bind(SOCKET s, const struct sockaddr* name, int namelen);
   成功返回0，失敗返回SOCKET_ERROR
int  listen(SOCKET s, int backlog);
   成功返回0，失敗返回SOCKET_ERROR
SOCKET accept(SOCKET s, struct sockaddr* addr, int* addrlen);
   成功時返回套接字句柄，失敗返回INVALID_SOCKET
int connect(SOCKET s, const struct sockaddr* name, int namelen);
   成功返回0，失敗返回SOCKET_ERROR
int closesocket(SOCKET s);
   成功返回0，失敗返回SOCKET_ERROR

1.3 類型和設置

1.3.1 協(xié)議(Protocol)

協(xié)議族分類
- PF_INET IPV4協(xié)議族
- PF_INET6 IPV6協(xié)議族
- PF_LOCAL 本地通信的Unix協(xié)議族
- PF_PACKET 底層套接字的協(xié)議族
- PF_IPX IPX Novell協(xié)議族
  通過套接字的第一個參數(shù)傳遞使用的協(xié)議分類信息，domain決定使用的protocol。
套接字類型
類型指的是套接字的數(shù)據(jù)傳輸方式，決定了協(xié)議族不能決定數(shù)據(jù)傳輸方式，如PF_INET可能存在多種數(shù)據(jù)傳輸方式。
- SOCK_STREAM（面向連接的套接字）
  面向連接的套接字具有以下特點：
  - 傳輸過程中數(shù)據(jù)不會消失
  - 按序傳輸數(shù)據(jù)
  - 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不存在數(shù)據(jù)邊界
  收發(fā)數(shù)據(jù)的內部有緩沖（字節(jié)數(shù)組）。套接字傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保存到該數(shù)組。在數(shù)組容量內，可能在充滿緩沖后一次讀取，也可能分多次讀取。如果緩沖被填滿，傳輸套接字將停止傳輸。
- SOCK_DGRAM（面向消息的套接字）
  面向消息的套接字特點：不可靠的、不按序傳遞、以數(shù)據(jù)的高速傳遞為目的的套接字。

1.4 地址族和字節(jié)序

1.4.1 地址族

IP是網絡協(xié)議的簡寫，是為了收發(fā)網絡數(shù)據(jù)而分配給計算機的值。只要有IP就能像數(shù)據(jù)發(fā)送到目標計算機，但無法發(fā)送給最終的應用程序。
端口號是為了區(qū)分程序中創(chuàng)建的套接字而分配給套接字的序號。NIC通過IP向計算機內部發(fā)生數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)利用端口號將數(shù)據(jù)分配給套接字。
IP地址分為IPV4（4字節(jié)）和IPV6（16字節(jié)）兩類。IPV6是為了解決201年前后IP地址耗盡而提出的標準。IPV4分為A、B、C、D四類，由網絡ID和主機主機ID構成。 IP網絡數(shù)據(jù)傳輸時，先基于網絡地址（網絡ID）把數(shù)據(jù)發(fā)送到網絡。網絡收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)主機ID將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標計算機。
地址分類

A類地址首字節(jié) 0-127，首位以0開始
B類地址首字節(jié)128-191，首位以10開始
C類地址首字節(jié)192-223，首位以110開始

端口號

端口號由16位構成，可分配端口號為0-65535
知名端口號：0-1023。一般分配給特定程序。

1.4.2 地址信息表示

struct sockaddr_in
{
    sa_family_t       sin_family;  //地址族
    uint16_t          sin_port;     //16位端口號
    struct in_addr    sin_addr;  //32位IP地址
    char              sin_zero[8];  //不使用
}

in_addr結構體聲明為uint32_t，只需要當作32位整數(shù)。
sin_zero是使結構體與socd_addr保持一致而插入的成員。
之所以使用sockaddr_in，而不直接使用sockaddr，原因在于sockaddr結構體，如下：

struct sock_addr
{
    sa_family_t sin_family;
    char sa_data[14];
}

sa_data中包含地址和端口號，其余部分為0。直接填充這些信息會比較麻煩，于是有了sockaddr_in,最后轉換為sockaddr型結構體。

1.4.3 字節(jié)序

大端序：高位字節(jié)放在地位地址
小端序：高位字節(jié)放在高位地址
在通過網絡傳輸數(shù)據(jù)時約定統(tǒng)一方式，即網絡字節(jié)序。網絡字節(jié)序是大端序。
字節(jié)序轉換

unsigned short htons(unsigned short);
unsigned short ntohs(unsigned short);
unsigned long htonl(unsigned long);
unsigned long ntohl(unsigned long);
//h--->host字節(jié)序
//n-->network字節(jié)序
//s-->2字節(jié)short，常用于端口號轉換
//l-->4字節(jié)，常用于IP轉換

地址字符串的字節(jié)序轉換

#include <arpa/inet.h>

in_addr_t inet_addr(const char* string);  //點分十進制字符串---> 大端序整數(shù)值

int inet_aton(const char* string,  struct in_addr* addr);  //string轉換結果保存到addr地址值中

char* inet_ntoa(struct in_addr adr);  //轉換為字符串形式。長期保存時，需要對char*內容進行復制

網絡地址初始化

struct sockaddr_in addr;
char* server_ip = "211.217.168.11"; //ip字符串
char* serv_port = "9190";  //端口號

memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip);
addr.sin_port = htons(server_port);

INADDR_ANY
利用INADDR_ANY分配Ip地址，將自動獲取計算機的地址，若計算機有多個IP地址，則可以從不同IP、相同端口號中接收數(shù)據(jù)。服務器一般采用這種方式。

1.5 域名和網絡地址

將容易記、易表達的域名分配并取代IP地址。域名是賦予服務器端的虛擬地址，而非實際地址。通過DNS請求轉換地址。若DNS服務器無法解析，會詢問其他DNS服務器，并提供給用戶。

//
#include <netdb.h>

struct hostent* gethostbyname(const char* hostname);

structhostent* gethostbyaddr(const char* addr, socklen_t len, int family);

1.6套接字多種可選項

1.6.1 可選項

套接字可選項是分層的。IPPROTO_IP是IP協(xié)議相關選項，IPPROTO_TCP是tcp協(xié)議相關可選項，SOL_SOCKET是套接字相關通用可選項。
設置可選項

#include <sys/socket.h>

int getsockopt(int sock, int level, int optname, void* optval, socklen_t* optlen);
     sock 套接字文件描述符
     level 協(xié)議層
     optname 可選項名字
     optval    保持查看結果的緩沖地址
     optlen   緩沖大小

int setsockopt(int sock, int level, int optname, const void* optval, socklen_t optlen);

SO_TYPE 查看套接字類型
SO_SNDBUF/SO_RCVBUF 輸入輸出緩沖區(qū)大小
SO_REUSEADDR :默認為0(假),即無法分配Time-wait狀態(tài)下的套接字端口號, 為1(真)可將Time-wait狀態(tài)下的套接字端口號重新分配給新的套接字
套接字四次揮手后并非立即清除,二十經過一段時間的Time-wait狀態(tài)。先斷開連接（發(fā)送FIN消息）的主機才經過Time-wait狀態(tài)。因此服務器先斷開連接，無法立即重新運行。
TCP_NODEALY：設置為1時，禁用Nagle算法。
tcp套接字默認使用Nagle算法(只有收到前一數(shù)據(jù)的ACK時,才發(fā)送下一數(shù)據(jù))交換數(shù)據(jù),因此最大限度的進行緩沖,直到收到ACK。為了提高網絡傳輸效率，必須使用Nagle算法。但在網絡流量未受到太大影響時，不使用Nagle算法會更快。如大文件數(shù)據(jù)。

1.7 進程

1.8 IO復用與IO函數(shù)

無論連接多少客戶端，提供服務的進程只有一個。select是最具代表性的服務端復用方法。

1.9 線程

1.10 信號處理

二、TCP

2.1 定義

IP層解決數(shù)據(jù)傳輸中的路徑選擇問題。TCP和UDP利用IP層提供的路徑信息完成實際的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 服務端

TCP服務端函數(shù)調用通常遵循如下順序：

socket -- 創(chuàng)建套接字
bind -- 分配套接字地址
listen -- 等待連接請求狀態(tài)
accept -- 允許連接
read/wrote -- 數(shù)據(jù)交換
close -- 斷開連接

listen后，若有新的連接請求，應該按序處理。受理請求意味著進入可接受數(shù)據(jù)的狀態(tài)。
accept受理連接請求。其內部產生用于數(shù)據(jù)IO的套接字，并返回其文件描述符。
客戶端通過connect發(fā)起連接請求，當服務端接收連接請求或者發(fā)生異常中斷連接請求時返回。服務端接收連接請求只是將請求記錄加入等待隊列，并不表示調用accept，不表示立即進行數(shù)據(jù)交換。

2.3 迭代服務端

通過插入循環(huán)語句，反復調用accept函數(shù)來持續(xù)受理客戶端連接請求的方式。

2.4 迭代回聲服務/客戶端

TCP數(shù)據(jù)傳輸不存在邊界。服務端通過1次write函數(shù)傳輸數(shù)據(jù)，但是如果數(shù)據(jù)太大，可能會分成多個數(shù)據(jù)包發(fā)送。另外，客戶端也可以未完全收到數(shù)據(jù)就read。解決方法是提前確定接收數(shù)據(jù)的大小。在無法預知數(shù)據(jù)大小的情況下，需要應用層協(xié)議的定義。收發(fā)數(shù)據(jù)的過程中定義號規(guī)則以表示數(shù)據(jù)的邊界。

2.5 半關閉

IO緩沖特性：

I/O緩沖在每個套接字中單獨存在
在創(chuàng)建套接字時自動生成
關閉套接字后，也會繼續(xù)傳輸輸出緩沖中的遺留數(shù)據(jù)
關閉套接字，會丟失輸入緩沖中的數(shù)據(jù)

Linux的close和Windows的closescket意味著完全斷開連接，即無法傳輸和接受數(shù)據(jù)。這樣可能存在主機A發(fā)送數(shù)據(jù)后斷開連接，無法繼續(xù)接收B的數(shù)據(jù)。因此，Half-close產生，即只關閉1個流。

半關閉函數(shù)

#include <sys/socket.h>

int shutdown(int sock, int howto);
     //howto為斷開方式信息

斷開方式如下：

SHUT_RD 斷開輸入流
SHUT_WR 斷開輸出流
SHUT_RWDR 同時斷開輸入輸出流

shutdown進行半關閉，同時發(fā)送EOF。

2.6 并發(fā)服務器

2.7 IO分離

2.8 select服務端

2.8.1 select調用過程

設置文件描述符、指定監(jiān)視范圍、設置超時
調用select函數(shù)
查看調用結果

2.9 多線程服務端

三、 UDP

3.1 定義

UDP提供不可靠數(shù)據(jù)傳輸。UDP不提供流控制機制。根據(jù)端口號將傳到主機的數(shù)據(jù)交付給最終的UDP套接字。
TCP比UDP慢主要由于：

收發(fā)數(shù)據(jù)前后進行的連接設置和清楚操作
收發(fā)數(shù)據(jù)過程中為保證可靠性而添加的流控制

3.2 UDP服務端/客戶端

3.2.1 UDP數(shù)據(jù)IO函數(shù)

#include <sys/cosket.h>

ssize_t sendto(int sock, void* buf, size_t bnytes, int flags,  struct sockaddr* to, socklen_t addrlen）

ssize_t recvfrom(int sock, void* buf, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr* from, socklen_t* addrlen)

3.2.2 套接字地址分配

sendto前完成地址分配。如果sendto時未分配地址信息，首次調用時自動分配IP和端口號，分配結果保留到程序結束。IP為主機IP，端口號為任意未分配端口。
此外，也可以用bind分配ip和端口號。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸特性和connect

存在數(shù)據(jù)邊界。通過snedto傳輸數(shù)據(jù)過程如下：

向套接字注冊目標IP和端口號
傳輸數(shù)據(jù)
刪除注冊信息
未注冊目標信息的套接字稱為未連接套接字。反之稱為connected套接字。
向同一目標主機進行長時間通信時，將UDP套接字變?yōu)閏onnected套接字會提高效率。傳輸過程中，1和3占傳輸?shù)?/3時間。

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TCP/IP網絡編程筆記