unix网络编程卷1_套接字联网API

UNIX网络编程卷1：套接字联网API

2. 传输层：TCP、UDP、SCTP

TCP状态转换图，全书最重要的图之一

UNIX网络编程第二章

3. 套接字编程简介

以下是UNIX网络编程卷一上的图，查看Linux 这几个地址的定义，有些许差别，Linux的定义如下：

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// /usr/include/netinet/in.h
struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port;			/* Port number.  */
    struct in_addr sin_addr;		/* Internet address.  */

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr)
			   - __SOCKADDR_COMMON_SIZE
			   - sizeof (in_port_t)
			   - sizeof (struct in_addr)];
  };

/* Structure describing an Internet socket address.  */
struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port;			/* Port number.  */
    struct in_addr sin_addr;		/* Internet address.  */

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr)
			   - __SOCKADDR_COMMON_SIZE
			   - sizeof (in_port_t)
			   - sizeof (struct in_addr)];
  };

/* Ditto, for IPv6.  */
struct sockaddr_in6
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin6_);
    in_port_t sin6_port;	/* Transport layer port # */
    uint32_t sin6_flowinfo;	/* IPv6 flow information */
    struct in6_addr sin6_addr;	/* IPv6 address */
    uint32_t sin6_scope_id;	/* IPv6 scope-id */
  };

4. 基本TCP套接字编程

内核为每一个监听套接字维护两个队列：

相关知识： 半连接攻击

6. IO复用：select和poll函数

5种IO模型（这部分小林的图解系列图更好）

一个输入操作包括2个不同的阶段：

  • 等待数据准备好
  • 从内核向进程复制数据

一个非阻塞描述符循环调用recvfrom时，我们称之为轮询。该操作大量消耗CPU时间。

IO多路复用同样是阻塞式的，不过它阻塞在IO复用系统调用上，如select、poll以及epoll，而不是阻塞在真正的IO系统调用上。注意，数据从内核复制到用户空间的那段时间，应用也是阻塞的。

信号驱动式IO模型暂未发现可用场景，就不放图了。

以上所有的IO模型，均为同步IO。

POSIX异步IO框架aio系列已经过时了，在Linux平台，可以使用从Linux内核5.1开始的io_uring异步框架。

注意，IO多路复用是在收到数据时触发读事件，通知上层应用，此时需要将数据复制到用户空间。而异步IO是收到数据，并且将数据从内核复制到了用户空间后，再通知应用处理数据。

五种IO模型的比较：

shutdown函数：

终止网络连接的一般方法是调用close函数，不过close有两个限制，如下：

  • close将描述符的引用计数减1，仅在该计数变为0时才关闭套接字。
  • close终止读和写两个方向的数据传输。

而shutdown函数，既可以不管引用计数就激发TCP的正常连接终止序列，也可以处理如下这种场景：

我们需要告知对端我们已经完成了数据发送，即使对端仍有数据要发送给我们。

理解为什么一定要四次挥手。

  • SHUT_RD：关闭读。套接字接收缓冲区的现有数据将被丢弃。
  • SHUT_WR：关闭写，TCP称为半关闭。套接字发送缓冲区的现有数据将被发送。
  • SHUT_RDWR：读写关闭

陈硕的muduo网络库中，即使用了TCP的半关闭功能。

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// muduo/net/SocketsOps.cc
void sockets::shutdownWrite(int sockfd)
{
  if (::shutdown(sockfd, SHUT_WR) < 0)
  {
    LOG_SYSERR << "sockets::shutdownWrite";
  }
}

8. 基本UDP套接字编程

11. 名字与地址转换

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# cmd:
# -----------------------------------------------------------
resolvectl status
# -----------------------------------------------------------
# output:
Global
       LLMNR setting: no                  
MulticastDNS setting: no                  
  DNSOverTLS setting: no                  
      DNSSEC setting: no                  
    DNSSEC supported: no                  
          DNSSEC NTA: 10.in-addr.arpa     
                      16.172.in-addr.arpa 
                      168.192.in-addr.arpa
                      17.172.in-addr.arpa 
                      18.172.in-addr.arpa 
                      19.172.in-addr.arpa 
                      20.172.in-addr.arpa 
                      21.172.in-addr.arpa 
                      22.172.in-addr.arpa 
                      23.172.in-addr.arpa 
                      24.172.in-addr.arpa 
                      25.172.in-addr.arpa 
                      26.172.in-addr.arpa 
                      27.172.in-addr.arpa 
lines 1-20...skipping...

同时支持IPv4与IPv6的转换函数：

头文件：<netdb.h>

创建一个TCP套接字并连接到一个服务器：

12. IPv4与IPv6的互操作性

拓展： 当数据流路径是 IPv6通道 –> IPv4通道 –>IPv6（通道）时，将采用隧道技术。

总结： IPv6 对 IPv6，IPv4 对 IPv4， IPv4 对 IPv6 采用映射。

关于黄色标注处：若客户选择AAAA记录从而发送IPv6数据，则不能工作。若选择A记录， 则A记录实际作为一个IPv4映射的IPv6地址返回给客户，使得客户可以发送IPv4数据。

14. 高级IO函数

这两个函数是最重要的函数之一，因为最通用。具体的使用，可以查看vector AP底层网络通信部分的代码。

15. unix域套接字

unix域提供两类套接字：字节流套接字（类似于TCP）和数据报套接字（类似于UDP）。

使用unix域套接字的三个理由：

  • 使用socket API，但不经过TCP/IP协议栈，快
  • 可以在两个进程之间传递描述符
  • 可以传递凭证，是服务器验证客户身份的可靠手段

unix域中用于标识客户与服务器的协议地址是普通文件系统中的路径名（绝对路径）。

socketpair函数可以用于网络服务器中的唤醒工作，除了该方式外，还可以使用管道或者eventfd方案。

指定SOCK_STREAM的socketpari称为流管道，是全双工通信方式。

注意：因为unix域套接字的地址是一个绝对路径，因此在bind地址之前，一定要确认路径文件是否存在，若存在，一定要先通过unlink清除路径文件。

16. 非阻塞式IO

Pass

20. 广播

21. 多播

单播地址标识单个IP接口，广播地址标识某子网的所有IP接口，多播地址标识一组IP接口。

广播一般局限于局域网内使用，多播既可以用于局域网，也可以跨广域网使用。

单播使用MAC地址，广播的MAC地址为 FF-FF-FF-FF-FF-FF，多播的MAC地址为：01-00-5e-0 + 低序23位，这三者是不同的。

一个进程接收某个多播数据包的先决条件是：该进程加入相应的多播组并绑定相应的端口。

IPv4首部的TTL字段兼用作多播范围字段。

  • 0：接口局部，不能由接口输出
  • 1：链路局部，不可由路由器转发
  • 其他不再赘述，看图

关于不完备过滤与完备过滤：目前多播地址是224.0.0.1，若有一个多播地址225.0.1.1发送数据。由于多播地址组ID的高5位在到以太网地址的映射中被忽略，该主机的接口也将接收目的以太网地址为01:00:5e:00:01:01的帧。因此在数据链路层无法过滤掉，所以说数据链路层是不完备过滤。这种情况下，该帧承载的分组将在IP层完备过滤，IP层会比较该地址与本机接收应用进程已经加入的所有多播地址，根据结果是接收还是丢弃。因此该分组将被丢弃。

多播套接字选项：采用getsockopt或setsockopt，相关选项如下：

如果发送UDP多播之前，没有指定影响发送的多播套接字选项，那么UDP的外出接口将有内核选择，TTL或跳限将为1，并有一个副本自环回来。

附录A

IP层提供无连接不可靠的数据报递送服务。

IP层最重要的功能之一是路由。

IPv4首部最大长度为60字节，固定部分20字节，选项部分，最长40字节。

协议字段中，1代表ICMPv4、2代表IGMPv4、6代表TCP、17代表UDP。

IPv6首部最大长度为40字节，没有选项。

下一个首部：6代表TCP、17代表UDP、58代表ICMPv6等

跳限类似于IPv4中的TTL

#原创 #计算机网络
unix网络编程卷1_套接字联网API
http://ziyangfu.github.io/2023/07/21/unix网络编程卷1-套接字联网API/
作者
FZY
发布于
2023年7月21日
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