Socket编程（二）——协议的细节和选项

接上一篇，主要介绍一下Socket编程中如何体现TCP/IP族协议的一些细节，包括流量控制、半关闭等。

TCP连接过程

由于TCP协议是面向连接的，所以在进行数据传输前必须建立连接。

服务端方面

服务端首先需要创建自己的套接字，这个套接字并不是真正用于收发数据的，而是起到类似“门卫”的作用。服务端套接字绑定一个端口号后，便可以调用listen函数等待来自客户端的连接。当收到来自客户端的连接请求时，服务端就应该调用accept函数接受连接请求。回顾上一篇blog，该函数会返回一个套接字，这个套接字才是真实用于与客户端进行数据传输的。完成连接后就可以进数据传输了。

客户端方面

客户端方面的连接较为简单，只需要调用connect函数对服务端的指定端口发起连接请求即可。需要注意的是，客户端不需要指定端口号，而是由操作系统分配一个临时端口号。

“无数据边界”

之前提到过，TCP这类面向连接的协议是不存在数据边界的。考虑书本上的例子——回声服务端：即服务端会将客户端发送的内容原样发送回去。这样的功能看似很简单，但是如果使用面向连接的协议来实现，就需要考虑许多问题。例如：

• 客户端发送的内容会先放在缓冲区，有可能会被分成多次发送。
• 服务端接收数据的数据有可能也被分成多段，无法确定字符串的结尾。（服务端只调用一次read的话会导致读取内容不全）
• 服务端发送的内容有可能在缓冲区被分成多次发送。

简而言之就是双方都不知道到底如何定义一个字符串的结束，这就要我们在应用层设计好协议来方便双方的数据传输。在传输层、网络层的协议都定义了固定格式的协议头，这就是为了保证数据传输过程中双方都能够理解，不会产生歧义。

在这个例子中，可以约定用数据的前4个字节作为字符串长度，接下来的若干个字节就是字符串的内容。在读数据时，使用循环来保证读取的内容达到规定的长度。当然，也可以规定某个字符作为结束符，实现方法不同，协议的特点也不同。

"无数据边界"意味着“数据传输过程中调用IO函数的次数不具有任何意义”。

UDP消息发送

惯例上，人们习惯以”数据报（包）“作为面向连接的数据单位，以”消息“作为不面向连接的数据单位。与TCP协议不同，由于不需要建立连接，客户端和服务端双方都只需要一个套接字，就像是“信箱”一样，而且一个套接字可以同时与多个主机通信。

IO函数

基于UDP的IO函数与TCP有所不同，毕竟实现原理都不同。

#include <sys/socket.h>
/*
* 前4个参数与TCP的函数类似，后两个参数用于指定发送的地址。
*/
ssize_t sendto(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);

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

上面函数与TCP的IO函数最大的区别就是直接在函数中指定了接收和发送数据的地址，也不需要使用bind函数来绑定端口号，而是调用sendto和recvfrom自动分配一个端口，这点比TCP更直接，也能够直接体现出UDP这类面向消息的协议的特点。

已连接(connected)UDP套接字

UDP的IO函数传输过程分为3个步骤：注册IP和端口、传输数据、删除IP和端口。如果通信的对象较为固定，频繁调用IO函数可能会花费较多时间在注册和删除IP端口上，所以可以创建已连接UDP套接字来提高性能。

sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
connect(sock, (struct sockaddr*)&adr, sizeof(adr))

上述代码创建了一个UDP类型的套接字，但调用了 connect函数，但这并不意味着使用这个套接字来建立连接，而是向目标套接字注册IP和端口信息。

优雅地断开套接字连接

TCP协议在通信结束后还会经历四次挥手来断开TCP连接，四次挥手中的前两次通信完成后的状态称为半关闭，即一方表明自己没有数据需要发送，但仍可以接受数据，待对方数据发送完后再完全断开连接。Socket编程中用于完成半关闭的函数为：

/*
* howto是传递断开的方式，有：SHUT_RD：断开输入流、SHUT_WR：断开输出流，SHUT_RDWR：同时断开输入输出流。
* 成功返回0，失败返回-1
*/
int shutdown(int sock, int howto);

上述三个常量在Windows平台下为SD_RECEIVE,SD_SEND,SD_BOTH

DNS域名服务

DNS的概念不难，主要介绍一下库中关于DNS的函数

#include<netdb.h>
struct hostent * gethostbyname(const cahr * hostname);

//
struct hostent
{
    char * h_name; // official name
    char ** h_aliases; // alias list
    int h_addrtype; // host address type
    int h_length; // address length
    char ** h_addr_list // address list
}

比较值得注意的是h_addr_list参数，是一个链表，保存整数形式的域名链表。

相反的函数为：

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

套接字的可选项

进行套接字编程时可以根据需求对套接字的传输特性进行设置。下面两个是对可选项进行操作的函数：

/*
* level:可选项的协议层 optname:要查看的可选项名 optval:保存查看结果的缓冲区地址
*/
int getsockopt(int sock, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);

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

SO_REUSEADDR（重用地址）

在最初进行编程时，很经常发现服务端主动关闭后需要过一段时间（几分钟）才能再次在同样的端口上再次运行服务端。其原因就在于TCP断开连接的Time-wait状态。服务端主动关闭后，在四次挥手后还需要等待一个来回时间的Time-wait阶段来保证对方收到了自己上一个ACK报文，在这个过程中服务端原先绑定的端口不会被释放。所以短时间内再次运行客户端会出现bind error。

通过将SO_REUSEADDR这个可选项设置为true可以解决这个问题。

TCP_NODELAY

将这个可选项设置为true可以禁用Nagle算法，从而在传输较大数据时提高传输效率（但是可能会增加网络流量，影响传输）。

Nagle算法即在收到上段数据的ACK报文后再发送下一个段，在传输时间较长时Nagle算法会导致传输效率低下。