socket-通信过程及流程1

socket通信过程及流程

卜・图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程:

展务驾端应用层

listenfd-sockets

分配-个文徉硒符

binddistenfd,联弟等地址浇口)

辨定istenf曲海城

自存地址任意

listendistenfd,琳度)

使listenfd成为一个监听病述符

connfd-acceptdistenfd.客用出期口)

困爰等待客户希f接

accept返回

分配斩的向S承。nnfdW户襦通信

read(connfd.buf,size)"

阻塞等待客户微据清浪

readj§0箱坏

处屏户端话求多次

writetconnfd,but.size)

发送或据点M

read(connfd.buf.size)

闲兖等待客户都据诺求

rea施回0

close(connfd)

服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后，调用accept。阻塞等待，处于监听端口的状态，客

户端调用socket。初始化后，调用connect。发出SYN段并阻塞等待服务器应答，服务器应答•个

SYN-ACK段，客户端收到后从connect。返回，同时应答一个ACK段，服务器收到后从accept。返回。

数据传输的过程：

建立连接后,TCP协议提供全双工的通信服务，但是•般的客户端/服务腓程序的流程是由客户端主动

发起请求，服务器被动处理请求，一问一答的方式。因此服务器从accept。返回后立刻调用read。，

读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待，这时客户端调用write。发送请求给服务器,

服务器收到后从read。返回，对客户端的请求进行处理，在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器

的应答，服务器调用write。将处理结果发回给客户端，再次调用read。阻塞等待下一条请求，客户端

收到后从read。返回，发送下一条请求，如此循环下去。

如果客户端没有更多的请求了，就调用close。关闭连接，就像写端关闭的管道一样，服务器的read。

返回0,这样服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close。关闭连接。注意，任何一方调用close。

后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。如果功.调用shutdown。则连接处于半关闭状

态，仍可接收对方发来的数据。

在学习socketAPI时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的：*应用程序调用某个socket函数

时TCP协议层完成什么动作，比如调用connect。会发出SYN段•应用程序如何知道TCP协议层的

状态变化,比如从某个阻塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段,再比如read。如回0

就表明收到了FIN段

看图所示的-socket通信过程

server一方的socketclient一方的socket

图12.9socket的通信过程

1.建立套接字

在sys/socket.h中。

intsocket(intfamily,inttype,intprotocol);

socket。打开一个网络通讯端口，如果成功的话，就像open。一样返回一个文件描述符，应用程序可

以像读写文件一样用read/write在网络上收发数据，如果socket。调用出错则返回-1“对于IPv4,

family参数指定为AFJNEK对于TCP协议,type参数指定为SOCK_STREAM,表示面向流的传输

协议。如果是UDP协议，则type参数指定为SOCK_DGRAM,表示面向数据报的传输协议，protocol

参数的介绍从略，指定为0即可。

Linux在利用socket。系统调用建立新的套接字时，需要传递套接字的地址族标识符、套接字类型以

及协议，其函数定义于net/socket.c中：

asmlinkagelongsys_socket(intfamily,inttype,intprotocol1

intretval;

structsocket*sock;

retval=sock_create(family,type,protocol,&sock);

if(retval<0)

gotoout;

retval=sock_map_fd(sock);

if(retval<0)

gotoout_release;

out:

/.l.ma.b.alread.anothe.descripto.8.Nblem.*/

returnretval;

outrelease:

sock_release(sock);

returnretval;

}

实际上，套接字对于用户程序而言就是特殊的已打开的文件。内核中为套接字定义了一种特殊的文

件类型，形成一种特殊的文件系统sockfs,其定义于net/socket.c:

staticstructvfsmount*sock_mnt;

staticDECLARE_FSTYPE(sock_fs_type,"sockfs",sockfs_read_super,FS_NOMOUNT);

在系统初始化时，要通过kern_mount()安装这个文件系统。安装时有个作为连接件的vfsmount数

据结构，这个结构的地址就保存在一个全局的指针sock_mnt中。所谓创建一个套接字，就是在sockfs

文件系统中创建一个特殊文件，或者说一个节点，并建立起为实现套接字功能所需的一整套数据结构。

所以，函数sock_create()首先是建立一个socket数据结构，然后将其“映射”到一个已打开的文件

中，进行socket结构和sock结构的分配和初始化。

新创建的BSDsocket数据结构包含有指向地址族专有的套接字例程的指针，这一指针实际就是

proto_ops数据结构的地址。

BSD套接字的套接字类型设置为所请求的SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM等。然后，内核利

用proto_ops数据结构中的信息调用地址族专有的创建例程。

之后，内核从当前进程的fd向量中分配空闲的文件描述符，该描述符指向的file数据结构被初始化。

初始化过程包括将文件操作集指针指向由BSD套接字接口支持的BSD文件操作集。所有随后的套

接字(文件)操作都将定向到该套接字接口，而套接字接口则会进一步调用地址族的操作例程，从而

将操作传递到底层地址族，如图12.10所示。

flles.slrucl

closeonexec

openA

BSD套鞭子

文件，作票

bt«kioc"

re«dclott

writefMync

faodeselect

fHMioa

SOCK.STREAM地址嫉

SOCKSTREAM

protocol

实际上,socket结构与sock结构是同一事物的两个方面。如果说socket结构是面向进程和系统调用

界面的，那么sock结构就是面向底层驱动程序的。可是，为什么不把这两个数据结构合并成•个呢？

我们说套接字是一种特殊的文件系统，Wilt,inode结构内部的union的一个成分就用作socket结构,

其定义如下：

structinode

union{

structsocketsocketj;

)

由于套接字操作的特殊性，这个结构中需要大量的结构成分。可是，如果把这些结构成分全都放在

socket结构中，则inode结构中的这个union就会变得很大，从而inode结构也会变得很大，而对于

其他文件系统，这个union成分并不需要那么庞大。因此，就把套接字所需的这些结构成分拆成两部

分，把与文件系统关系比较密切的那一部分放在socket结构中，把与通信关系比较密切的那一部分则

单独组成•个数据结构，即sock结构。由于这两部分数据在逻辑上本来就是•体的，所以要通过指针

互相指向对方，形成一对一的关系。

2.在INETBSD套接字上绑定(bind)地址

为了监听传入的Internet连接请求，每个服务器都需要建立一个INETRSD套接

字，并且将自己的地址绑定到该套接字。绑定操作主要在INET套接字层中进行，

还需要底层TCP层和IP层的某些支持。将地址绑定到某个套接字上之后，该套

接字就不能用来进行任何其他的通讯，因此，该socket数据结构的状态必须为

TCP_CLOSE。传递到J绑定操作的sockaddr数据结构中包含要绑定的IP地址，以

及一个可选的端口地址。通常而言，要绑定的地址应该是赋予某个网络设备的IP

地址，而该网络设备应该支持INET地址族，并且该设备是可用的。利用ifconfig

命令可查看当前活动的网络接口。被绑定的IP地址保存在sock数据结构的

rcv_saddr和saddr域中，这两个域分别用丁哈希直找和发送用的IP地址。端口

地址是可选的，如果没有指定，底层的支持网络会选择一个空闲的端口。

intbind(intsockfd,conststructsockaddr*myaddrzsocklent

addrlen);

服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的，客户端程序得知服务器程序的地址和端

口号后就可以向服务器发起连接，因此服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号。bind。

成功返回0,失败返回7。

bind。的作用是将参数sockfd和myaddr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯

的文件描述符监听myaddr所描述的地址和端口号。前面讲过,structsockaddr*是

一个通用指针类型,myaddr参数实际上可以接受多种协议的sockaddr结构体，而它

们的长度各不相同，所以需要第三个参数addrlen指定结构体的长度。我们的程序中

对myaddr参数是这样初始化的：

bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));

servaddr.sin_family=AF_INET;

servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY)；

servaddr.sin_port=htons(SERV_P0RT);

首先将整个结构体清零，然后设置地址类型为AF_INET,网络地址为INADDR_ANY,这个宏表示本

地的任意IP地址，因为服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能绑定多个IP地址，这样设置可以在

所有的IP地址上监听，直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个IP地址，端口号为

SERV_PORT,我们定义为8000。

当底层网络设备接受到数据包时，它必须将数据包传递到正确的INET和BSD套接字以便进吁处

理，因此,TCP维护多个哈希表，用来查找传入IP消息的地址，并将它们定向到正确的socket/sock

对。TCP并不在绑定过程中将绑定的sock数据结构添加到哈希表中，在这一过程中，它仅仅判断所

请求的端口号当前是否正在使用。在监听操作中，该sock结构才被添加到TCP的哈希表中。

3.在INETBSD套接字上建立连接(connect)

创建一个套接字之后，该套接字不仅可以用于监听入站的连接请求，也可以用于

建立出站的连接请求。不论怎样都涉及到一个重要的过程：建立两个应用程序之间

的虚拟电路。出站连接只能建立在处于正确状态的INETBSD套接字上，因此，不

能建立于已建立连接的套接字，也不能建立于用于监听入站连接的套接字。也就是

说，该BSDsocket数据结构的状态必须为SS_UNC0NNECTEDo

在建立连接过程中，双方TCP要进行三次“握手”，具体过程在本章第二节一

网络协议一文中有详细介绍。如果TCPsock正在等待传入消息，则该sock结构

添加到tcp_listening_hash表中，这样，传入的TCP消息就可以定向到该sock

数据结构。

由于客户端不需要固定的端口号，因此不必调用bind。，客户端的端口号由内核自

动分配。注意，客户端不是不允许调用bind。，只是没有必要调用bind。固定一个端

口号，服务器也不是必须调用bind(),但如果服务器不调用bind(),内核会自动给服

务器分配监听端口，每次启动服务器时端口号都不一样，客户端要连接服务器就会

遇到麻烦。

intconnect(intsockfd,conststructsockaddr*servaddr,

socklentaddrlen);

客户端需要调用connect。连接服务器,connect和bind的参数形式一致，区别在于bind的参数是自

己的地址，而connect的参数是对方的地址。connect。成功返回0,出错返回-1。

4.监听(listen)INETBSD套接字

intlisten(intsockfd,intbacklog);

典型的服务器程序可以同时服务于多个客户端，当有客户端发起连接时，服务器调用的accept。返回

并接受这个连接，如果有大量的客户端发起连接而服务器来不及处理，尚未accept的客户端就处于

连接等待状态,listen。声明sockfd处于监听状态，并且最多允许有backlog个客户端处于连接待状态,

如果接收到更多的连接请求就忽略。listen。成功返回0,失败返回-1。

当某个套接字被绑定了地址之后，该套接字就可以用来监听专属于•该绑定地址的传入连接。网络应

用程序也可以在未绑定地址之前监听套接字，这肘，INET套接字层将利用空闲的端口编号并自动绑

定到该套接字。套接字的监听函数将socket的状态改变为TCP_LISTENo

当接收到某个传入的TCP连接请求时,TCP建汇•个新的sock数据结构来描述该连接。当该连接

最终被接受时，新的sock数据结构将变成该TCP连接的内核bottom_half部分，这时，它要克隆

包含连接请求的传入sk_buff中的信息，并在监听sock数据结构的receive_queue队列中将克隆

的信息排队。克隆的sk_buff中包含有指向新sock数据结构的指针。

5.接受连接请求(accept)

接受操作在监听套接字上进行，从监听socket中克隆一个新的socket数据结构。

其过程如下：接受操作首先传递到支持协议层，即