TCP/UDP通信中的部分函数

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）和TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是互联网协议套件中最常用的两种传输层协议，它们负责在互联网中端到端地传输数据。尽管它们服务于相似的目的，即在网络中的两个进程间传输数据，但它们的工作方式、特性和应用场景有所不同。

Socket与网络传输

网络通信/传输底层依靠的就是socket。对于要进行通信的客户端、服务器双方而言，都需要创建一个 socket。在创建时可以指定使用的协议（TCP/UDP）。网络通信过程如下图所示：

在上面的过程中，涉及到以下函数：

• int socket(int domain, int type, int protocol)：用来创建一个套接字（或直接叫socket）。成功时，socket() 函数返回一个套接字描述符（一个非负整数），这个描述符后续用于引用这个套接字；失败时，返回 -1。

  参数：

  1. domain（协议域）:
     • 这个参数指定了套接字通信的网络协议族。常用的值包括：
       • AF_INET：用于IPv4互联网协议通信。
       • AF_INET6：用于IPv6互联网协议通信。
       • AF_UNIX：用于同一台机器上的进程间通信（IPC）。
  2. type（套接字类型）:
     • 指定套接字的通信类型，常见的类型有：
       • SOCK_STREAM：提供面向连接的、可靠的、基于字节流的通信服务（通常使用TCP协议）。
       • SOCK_DGRAM：提供无连接的、不可靠的、基于数据报的通信服务（通常使用UDP协议）。
       • 其他类型还包括 SOCK_SEQPACKET 和 SOCK_RAW，但较为少见。
  3. protocol（协议）:
     • 通常情况下，如果指定了正确的 domain 和 type，可以将此参数设置为0，让系统自动选择对应的默认协议。也可以指定特定的协议编号，如 IPPROTO_TCP 或 IPPROTO_UDP。

• int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)：用于将一个套接字（socket）与一个特定的网络地址（包括IP地址和端口号）关联起来，因为服务器需要在特定的IP地址和端口上监听来自客户端的连接请求。不显式调用 bind()（如客户端），操作系统会自动为套接字分配一个未使用的本地端口。bind()成功时函数返回零，失败时返回 -1。

  参数：

  1. sockfd:
     • 这是之前由 socket() 函数创建的套接字描述符，用来指定要绑定的套接字。
  2. addr:
     • 是一个指向 sockaddr 结构体的指针，该结构体包含了要绑定的地址的信息，如IP地址和端口号。对于IPv4，实际使用的类型通常是 struct sockaddr_in；对于IPv6，则是 struct sockaddr_in6。这个结构体根据地址族（AF_INET 或 AF_INET6）的不同而有所不同。
  3. addrlen:
     • 指定了 addr 所指向的地址结构体的大小，以字节为单位。这有助于函数确定如何解释 addr 指针所指向的数据。

• int listen(int sockfd, int backlog)：用于将一个套接字从非监听状态转变为监听状态，以便该套接字可以开始接收来自客户端的连接请求。成功返回0，失败返回-1。

  参数：

  1. sockfd:
     • 这是由 socket() 函数返回的套接字描述符，表示之前创建并已绑定到特定地址的套接字。
  2. backlog:
     • 指定内核应该为相应套接字排队的最大连接请求数量(与系统最大值也有关)。这个值限定了在服务器调用 accept() 函数之前，可以有多少个连接请求处于等待状态。（全连接队列，accpt队列）

• int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)：从已完成连接队列（全连接队列）中接受一个客户端的连接请求，为这个新的连接创建一个独立的套接字描述符，并返回这个描述符，这个描述符专门用于与该客户端通信。如果队列为空，根据套接字的阻塞模式，该调用可能阻塞进程，直到有新的连接到达。

  1. sockfd:
     • 这是监听套接字的描述符，之前由 socket() 创建并通过 bind() 绑定地址，再经过 listen() 设置为监听状态。
  2. addr:
     • 指向一个 sockaddr 结构体的指针，该结构体用于存储发起连接的客户端的地址信息（如IP地址和端口号）。
  3. addrlen:
     • 指向一个值，该值在调用前应设为 sizeof(struct sockaddr)，用于告诉函数 addr 缓冲区的大小。调用后，这个值会被更新为实际写入 addr 的地址结构体的大小

• int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen)：这个函数允许客户端指定一个已经创建的套接字，并尝试与远程服务器上的特定地址和端口建立连接。在阻塞模式下，该调用会一直等待直到连接建立或超时/失败；在非阻塞模式下，调用立即返回，如果连接未立即建立，返回值会指示操作正在进行中。

  参数

  1. sockfd:
     • 这是由 socket() 函数返回的套接字描述符，表示客户端打算用来发起连接的套接字。
  2. serv_addr:
     • 是一个指向 sockaddr 结构体的指针，包含了服务器的地址信息，如IP地址和端口号。对于IPv4，使用的是 struct sockaddr_in 结构；对于IPv6，则使用 struct sockaddr_in6。
  3. addrlen:
     • 是一个整数值，表示 serv_addr 指向的地址结构体的大小，以字节为单位。

• int shutdown(int sockfd, int how)：允许程序有选择性地关闭套接字的读取、写入或同时关闭读写功能，而不必立即关闭整个套接字。可以用于连接的优雅关闭。

  参数：

  • sockfd:
    • 这是之前通过 socket() 函数创建的套接字描述符，代表了需要操作的套接字连接。
  • how:
    • 指定了关闭套接字的方式，可以是以下三个值之一：
      • SHUT_RD (0)：关闭连接的读取部分。调用后，不能再从该套接字读取数据，但仍然可以写入数据。
      • SHUT_WR (1)：关闭连接的写入部分。调用后，不能再向该套接字写入数据，但仍然可以从该套接字读取数据。对于TCP套接字，称为半关闭（half-close）。当前在套接字发送缓冲区中的数据将被发送掉，后跟TCP的正常连接终止序列FIN。
      • SHUT_RDWR (2)：同时关闭读取和写入部分。调用后，既不能读也不能写，通常紧接着会调用 close() 来完全关闭套接字。

• int close(int sockfd)：close() 会将该套接字文件描述符的引用计数-1，当引用计数降至0时，内核会释放所有与该套接字相关的资源（包括内存和任何网络资源），会关闭套接字的所有数据传输方向。当引用计数仍大于零时，这个close调用不会引发TCP的四次挥手。（如父子进程中）。

• int sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen)：用于在无连接的套接字（如UDP套接字，SOCK_DGRAM类型）上发送数据报。此函数允许指定目标地址，使得数据可以直接发送到网络上的指定地址。它同样适用于已经通过connect()函数关联了远程地址的面向连接的套接字（如TCP，SOCK_STREAM类型），但在这种情况下，dest_addr和addrlen参数会被忽略，sendto()的行为等同于send()函数。

  参数：

  • sockfd：发送数据的套接字描述符。
  • buf：指向要发送数据的缓冲区的指针。
  • len：缓冲区中的数据长度，以字节为单位。
  • flags：控制消息发送的标志，例如MSG_DONTROUTE、MSG_OOB等，通常设为0。
  • dest_addr：指向一个struct sockaddr结构的指针，该结构包含了目标地址的信息，如IP地址和端口号。
  • addrlen：dest_addr结构的长度。

• ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen)：recvfrom()则广泛应用于无连接的套接字，特别是UDP套接字，但也适用于TCP套接字。对于UDP，由于每次数据报都可能来自不同的源，所以需要提供一个结构来存放发送方的地址信息。

  参数：

  • sockfd：接收数据的套接字描述符。
  • buf：指向缓冲区的指针，用于存放接收到的数据。
  • len：缓冲区的大小，指明可以接收的最大数据量（字节）。
  • flags：可选标志，用于控制操作的行为，如MSG_PEEK（查看数据但不移除缓冲区中的数据）、MSG_TRUNC（用于原始套接字，允许数据包截断）等。通常情况下，这个参数可以设置为0。
  • src_addr：指向struct sockaddr结构的指针，用于接收发送方的地址信息。在调用前，这个结构应当被初始化，调用后将填充发送方的地址信息。
  • addrlen：指向值-存储源地址结构大小的变量的指针，在调用前应初始化为sizeof(struct sockaddr_storage)，调用后会更新为实际填写的地址结构大小。