想见山海

Keep stduying

[C++项目] Web Server（4）：TCP 通信流程与端口复用

发布于 2023-04-03 | 标签: 计网 、 Linux 、 C++ | 10分钟 | 2519字数

如何理解之前博客中的服务器和客户端的通信流程，这里以具体函数来解释整个通信过程中的状态转换

三次握手与四次挥手

建立连接


首先服务器通过listen函数进入LISTEN状态

接着客户端通过connect函数发起连接，客户端进入SYN_SENT状态

服务器收到连接请求后，回复一个ACK进入SYN_RCVD状态

客户收到服务器回复的ACK后，对该ACK回复一个ACK，进入ESTABLISHED状态

服务器收到客户端回的ACK后也进入ESTABLISHED状态

三次握手完成，连接建立成功

数据传输


连接建立完成后就可以进行客户端与服务器端的通信

在之前的TCP通信实例中，就是客户端通过write发送数据，服务器端通过read读取数据

断开连接


首先客户端或服务器端任意一方都可以主动使用close函数发起断开连接的请求，进入FIN_WAIT_1状态

另一方收到请求后回复ACK并进入CLOSE_WAIT状态

主动断链方收到ACK后进入FIN_WAIT_2状态，等待被动方处理完成发送断链请求

此时主动断链方进入半关闭状态直至收到被动方的FIN请求，此时主动断链方仍旧可以接受数据，但是不能发送数据

从程序的角度，可以使用API来控制实现半关闭/半连接状态

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);

sockfd:需要关闭的socket的描述符
how: 允许为shutdown操作选择以下几种方式:

  • SHUT_RD(0):关闭sockfd上的读功能，此选项将不允许sockfd进行读操作。该套接字不再接收数据，任何当前在套接字接受缓冲区的数据将被无声的丢弃掉。
  • SHUT_WR(1): 关闭sockfd的写功能，此选项将不允许sockfd进行写操作。进程不能在对此套接字发出写操作。
  • SHUT_RDWR(2):关闭sockfd的读写功能。相当于调用shutdown两次:首先是以SHUT_RD，然后以SHUT_WR。

使用close中止一个连接，但它只是减少描述符的引用计数，并不直接关闭连接，只有当描述符的引用计数为0时才关闭连接。shutdown 不考虑描述符的引用计数，直接关闭描述符。也可选择中止一个方向的连接，只中止读或只中止写。

被动方处理完断链前的操作后，主动通过close函数发送断链请求，进入LASK_ACK状态

主动断链方收到请求后，回复ACK，进入TIME_WAIT状态，在等待一个固定的时间（两倍报文段寿命，2MSL）后自动进入CLOSE状态

这里等待的原因是为了保证最后这个ACK丢失后，可以收到被动方的重发请求，重发ACK

被动断链方收到ACK后，进入CLOSE状态

四次挥手完成，连接断开成功

注意:

  1. 如果有多个进程共享一个套接字，close 每被调用1次，计数减1，直到计数为0时，也就是所用进程都调用了close,套接字将被释放。
  2. 在多进程中如果一个进程调用了shutdown(sfd, SHUT_RDWR)后，其它的进程将无法进行通信。但如果一个进程close(sfd)将不会影响到其它进程。

数据传输

read和write是linux系统对文件的读取操作，只不过在linux中万物皆文件，因此也可以用于socket通信

但是socket通信还有自己专门的通信函数：recv，send

接受数据

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

recv()、recvfrom()和recvmsg()调用用于从套接字接收消息。 它们可用于接收无连接套接字和面向连接套接字上的数据。

这三个调用在成功完成后都会返回报文的长度。如果消息太长，无法在提供的缓冲区中容纳，多余的字节可能会被丢弃，这取决于接收消息的套接字类型。

recv() 函数只能用于从已连接的套接字（socket）接收数据。

如果在套接字上没有可用的消息，接收调用将等待消息的到来，除非套接字是非阻塞的，在这种情况下返回值为-1，并且外部变量errno被设置为EAGAIN或EWOULDBLOCK。

接收调用通常立刻返回任何可用的数据，直到达到请求的数量，而不是一直等待收到所请求的全部数据再一次性返回。

recv 参数说明：

  • sockfd：表示已连接的套接字的文件描述符。
  • buf：指向接收数据的缓冲区的指针。
  • len：表示接收缓冲区的大小。
  • flags：用于指定接收操作的可选标志，如 MSG_DONTWAIT、MSG_WAITALL 等。

需要注意的是，recv() 函数是一个阻塞函数，如果没有数据可接收，它会一直等待，直到有数据到达或发生错误。如果你希望在接收数据时设置超时或非阻塞模式，可以使用 select() 或 fcntl() 函数来实现。

发送数据

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

系统调用send()、sendto()和sendmsg()用于向另一个套接字发送消息。

send()调用只有在套接字处于连接状态时才能使用（这样才能知道目标接收者）。 send()和write()的唯一区别是是否有flags参数。 在flags参数为零的情况下，send()等同于write()。 另外，下面的调用

send(sockfd, buf, len, flags)

等价于

sendto(sockfd, buf, len, flags, NULL, 0)；

参数sockfd是发送套接字的文件描述符。

如果sendto()在连接模式(SOCK_STREAM, SOCK_SEQPACKET)的套接字上使用，参数dest_addr和addrlen将被忽略(当它们不是NULL和0时，可能返回错误EISCONN)、 当socket没有被连接时，将返回错误ENOTCONN。

否则，目标地址由dest_addr给出，addrlen指定其大小。

对于sendmsg()，目标地址由msg.msg_name给出，msg.msg_namelen指定其大小。

send 参数说明：

  • sockfd：表示已连接的套接字的文件描述符。
  • buf：指向要发送数据的缓冲区的指针。
  • len：表示要发送的数据的大小。
  • flags：用于指定发送操作的可选标志，如 MSG_DONTWAIT、MSG_NOSIGNAL 等。

send() 函数的返回值是实际发送的字节数，如果返回值为 -1，则表示发生了错误，可以通过 errno 变量获取具体的错误信息。

需要注意的是，send() 函数可能不会立即发送所有的数据，特别是在非阻塞模式下。如果你需要确保所有数据都被发送，可以使用循环来重复调用 send() 直到发送完所有数据。

查看网络信息

netstat 命令是一个用于显示网络状态和统计信息的命令行工具。它可以显示当前打开的网络连接、监听端口、路由表、网络接口等信息，是网络故障排除和性能调优的常用工具之一。

常用的参数：

  • -a：显示所有连接和监听端口。
  • -n：以数字形式显示地址和端口号，而不是使用主机名和服务名。
  • -p：显示与连接关联的进程信息。
  • -r：显示路由表。
  • -i：显示网络接口信息。
  • -s：显示网络统计信息。

下面是一些额外的示例：

显示所有 TCP 连接：

netstat -at

显示所有 UDP 连接：

netstat -au

显示所有监听端口：

netstat -l

显示所有与进程关联的连接：

netstat -p

查找所有使用端口号为 9999 的网络连接，并显示与之关联的进程信息：

netstat -anp| grep 9999

如果有多个进程使用了该端口号，则会显示多行输出。

端口复用

端口复用最常用的用途是:

  • 防止服务器重启时之前绑定的端口还未释放
  • 程序突然退出而系统没有释放端口
#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>

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

注意 端口复用的设置是在服务器调用bind绑定端口之前

参数：

  • sockfd：sockfd必须指向一个打开的套接字描述符

  • level：level指定系统中解释选项的代码或为通用套接字代码，或为某个特定于协议的代码(例如IPv4、IPv6、TCP或SCTP)。在设置端口复用时，设置为SOL_SOCKET（端口复用的级别）。

  • optname：用于指定选项的名称，与level一块使用。在设置端口复用时一般用以下两个：

    • SO_REUSEADDR：允许重用本地地址
    • SO_REUSEPORT：允许重用本地端口

  • optval：optval是一个指向某个变量的指针，setsockopt从*optval中取得选项待设置的新值，getsockopt则把已获取的选项当前值存放到*optval中。*optval的大小由最后一个参数指定，它对于setsockopt是一个值参数，对于getsockopt是一个值结果参数。

    • 在设置端口复用时传进去的是一个int类型的指针，其指向的变量值为1则可以复用，为0则表示不可复用

  • optlen：指定optval的大小

返回值：

  • 成功：0
  • 失败：-1

使用示例

int opval = 1;
setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &opval, sizeof(opval));

下图汇总了可由getsockcpt获取或由setsockopt设置的选项。其中的“数据类型”列给出了指针oprval必须指向的每个选项的数据类型。我们用后跟一对花括号的记法来表示一个结构，如1inger{}就表示struct linger.

# 计网 # Linux # C++
[C++项目] Web Server（5）：I/O 多路复用 上一篇
[C++项目] Web Server（3）：TCP 通信多线程并发 下一篇
已运行:
浏览数: 次 | 访客数: 人
0%