网络编程学习3--使用socket格式建立连接服务端创建socket domain 就是指 PF_INET、PF_IN

服务端

创建socket（socket函数）

int socket(int domain, int type, int protocol)

domain 就是指 PF_INET、PF_INET6 以及 PF_LOCAL 等，表示什么样的套接字.
type 可用的值是：

SOCK_STREAM: 表示的是字节流，对应 TCP；
SOCK_DGRAM: 表示的是数据报，对应 UDP；
SOCK_RAW: 表示的是原始套接字。参数protocol是用来指定通信协议的，不过现在基本废弃了。因为协议已经通过前面两个参数指定完成了。所以protocol写成0即可。

Linux 中的一切都是文件，每个文件都有一个整数类型的文件描述符；socket 也是一个文件，也有文件描述符。使用 socket() 函数创建套接字以后，返回值就是一个 int 类型的文件描述符。
Windows 会区分 socket 和普通文件，它把 socket 当做一个网络连接来对待，调用 socket() 以后，返回值是 SOCKET 类型，用来表示一个套接字。

bind函数

如果想要创建的socket能够被使用，就需要将socket和socket地址绑定，这一步需要通过bind函数来实现。调用bind函数的方式如下：

int bind(int fd, const struct sockaddr* addr, socklen_t len)

第一个参数fd，是使用socket()函数创建的文件描述符。第二个参数是通用地址格式sockaddr* addr，不过需要注意的是，虽然这里接收的是通用地址格式，实际上传入的参数可能是IPv4、IPv6或者本地socket格式。第三个参数len，即addr结构的长度，可以设置成sizeof(struct sockaddr), bind函数会根据len字段判断传入的参数addr该怎么解析，它是一个可变的值。

对于使用者(调用bind)来说，每次需要将IPv4、IPv6或者本地socket格式转化为通用socket格式，下面是IPv4 socekt的例子：

struct sockaddr_in name;
bind (sock, (struct sockaddr*) &name, sizeof (name))

对于实现者(实现bind)来说，可根据该地址结构的前两个字节(地址族)判断出是哪种地址。为了处理长度可变的结构，需要读取函数里的第三个参数，也就是 len 字段，这样就可以对地址进行解析和判断了。
bind()函数的返回值为0时表示绑定成功，-1表示绑定失败。

在设置bind时，可以通过多种方式处理地址和端口。
设置IP地址时，如果将IP地址设置成本机IP地址，这相当告诉操作系统内核，仅仅对目标 IP 是本机 IP 地址的 IP 包进行处理。但是，有时候服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能绑定多个IP地址，如果只绑定一个具体的地址的话，那么只能监听所设置的ip地址所在网卡的端口，其他网卡无法监听端口，这一问题可以通过通配地址来解决。通配地址 INADDR_ANY，转换过来就是0.0.0.0，泛指本机的意思，也就是表示本机的所有IP。

设置通配地址

对于 IPv4 的地址来说，使用 INADDR_ANY 来完成通配地址的设置；对于 IPv6 的地址来说，使用 IN6ADDR_ANY 来完成通配地址的设置。

struct sockaddr_in name;
name.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY); /* IPV4通配地址 */

对于htonl()和htons()函数可见：juejin.cn/post/703628…

对于端口，如果把端口设置成 0，就相当于把端口的选择权交给操作系统内核来处理，操作系统内核会根据一定的算法选择一个空闲的端口，完成套接字的绑定。这在服务器端不常使用。
一般来说，服务器端的程序一定要绑定到一个众所周知的端口上。服务器端的 IP 地址和端口数据，相当于打电话拨号时需要知道的对方号码，如果没有电话号码，就没有办法和对方建立连接。

eg：初始化IPv4 TCP socket：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

int make_socket (uint16_t port)
{
  int sock;
  struct sockaddr_in name;


  /* 创建字节流类型的IPV4 socket. */
  sock = socket (PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (sock < 0)
    {
      perror ("socket"); // 类似C++中的cerr
      exit (EXIT_FAILURE);
    }


  /* 绑定到port和ip. */
  name.sin_family = AF_INET; /* IPV4 */
  name.sin_port = htons (port);  /* 指定端口 */
  name.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY); /* 通配地址 */
  /* 把IPV4地址转换成通用地址格式，同时传递长度 */
  if (bind (sock, (struct sockaddr*) &name, sizeof (name)) < 0)
    {
      perror ("bind");
      exit (EXIT_FAILURE);
    }


  return sock;
}

listen函数

bind函数将socket和地址关联，而listen函数是让服务器真正处于可接听的状态。通过listen函数，可以创建一个监听队列存放待处理的客户连接。
前面初始化创建的socket可以认为是一个“主动的”socket，其目的是之后主动发起连接请求（调用connet函数）。通过listen函数，可以将“主动”的socket转换为“被动的”socket，操作系统内核就会知道这个socket是用来等待用户请求的，然后操作系统会做好相应的准备，比如完成连接队列。
listen的函数原型如下：

int listen (int socketfd, int backlog)

第一个参数socketfd是socket描述符，第二个参数backlog，在Linux表示已经完成（ESTABLISHED）且未accept的队列大小，这个参数的大小决定了可以接收的并发数目（backlog规定了内核应为相应socket排队的最大连接个数。）。该参数越大，理论上并发数目也越大，但是参数过大也会占用过多系统资源，而在Linux中并不允许对这个参数进行改变。
内核为任何一个给定的监听套接字维护两个队列：

未完成连接队列，每个这样的SYN分节对应其中的一项：已由某个客户发出并到达服务器，而服务器正在等待完成相应的TCP三路握手过程。这些套接字处于SYN_RCVD状态
已完成连接队列，每个已完成TCP三路握手过程的客户对应其中一项。这些套接字处于ESTABLISHED状态。 backlog参数决定了内核监听队列的最大长度。监听队列的长度如果超过backlog，服务器将不受理新的客户连接。
在内核版本2.2之前的Linux中，backlog参数是指所有处于半连接状态（SYN_RCVD）和完全连接状态（ESTABLISHED）的socket上限。但自内核版本2.2之后，它只表示处于完全连接状态的socket的上限。处于半连接状态的socket的上限则由/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog内核参数定义。backlog参数的典型值是5.

accept函数

当客户端的连接请求到达时，服务器端应答成功，连接建立，这个时候操作系统内核需要把这个事件通知到应用程序，并让应用程序感知到这个连接。在连接建立之后，accept函数可以看作是操作系统内核和应用程序之间的桥梁。

通过accept函数可以从listen监听队列中接受一个连接，注意accept只是从监听队列中取出连接，而不论连接处于何种状态，更不关心任何网络状况的变化（如果监听队列中处于ESTABLISHED状态的连接对应的客户端出现网络异常（比如掉线），或者提前退出，此时通过accept函数接收该连接仍然能够正常返回）。

accept的原型：

int accept(int listensockfd, struct sockaddr* cliaddr, socklen_t* addrlen)

第一个参数listensockfd是socket描述符，这是前面通过bind，listen一系列操作而得到的socket。
第二个参数cliaddr是传出参数，通过该指针可以获取客户端的地址(IP地址和端口号)，
第三个参数addrlen是传入-传出参数，传入sizeof(cliaddr)的大小，函数返回时返回真正接收到的地址结构体的大小。传入的sizeof(cliaddr)是调用者提供的缓冲区长度以避免缓冲区溢出，传出的客户端地址结构体的实际长度（该长度可能并没有占满调用者提供的缓冲区）。如果给cliaddr参数传NULL，表示不关心客户端的地址。

当accept调用成功时，返回新的socket描述符，代表了与客户端的连接，失败时，返回-1.
这里一定要注意有两个套接字描述字，第一个是监听套接字描述字 listensockfd，它是作为输入参数存在的；第二个是返回的已连接套接字描述字。

注意accept函数和connect函数最后一个参数的区别，accept函数最后一个参数是socklen_t*，是一个指针，所以应该传地址，connect函数最后一个参数是socklen_t，不是指针，可以用sizeof()求得。

为什么要分为两个socket描述字？

网络程序的一个重要特征就是并发处理，不可能一个应用程序运行之后只能服务一个客户，所以监听套接字一直都存在，它是要为成千上万的客户来服务的，直到这个监听套接字关闭；而一旦一个客户和服务器连接成功，完成了 TCP 三次握手，操作系统内核就为这个客户生成一个已连接套接字，让应用服务器使用这个已连接套接字和客户进行通信处理。如果应用服务器完成了对这个客户的服务，比如一次网购下单，一次付款成功，那么关闭的就是已连接套接字，这样就完成了 TCP 连接的释放。请注意，这个时候释放的只是这一个客户连接，其它被服务的客户连接可能还存在。最重要的是，监听套接字一直都处于“监听”状态，等待新的客户请求到达并服务。

客户端

创建socket

这一步和服务端一样

connect函数

客户端和服务端建立连接，是通过connect函数完成的。
connect函数原型：

int connect(int sockfd, const struct sockaddr* servaddr, socklen_t addrlen)

函数的第一个参数 sockfd 是连接套接字，通过前面讲述的 socket 函数创建。
第二个参数servaddr，是传入参数，指定服务器端地址信息，含IP地址和端口号。
第三个参数addrlen，是传入参数，传入服务器端地址结构体的大小，sizeof(servaddr) 返回值：成功返回0，失败返回-1.
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。

客户在调用函数 connect 前不必非得调用 bind 函数，因为如果需要的话，内核会确定源 IP 地址，并按照一定的算法选择一个临时端口作为源端口。（客户端可以通过bind指定使用固定端口连接，没有bind则会产生一个随机的端口来完成连接请求）
如果是TCP socket，通过调用connect函数会激发TCP的三次握手过程，并且仅在连接建立成功或出错时才返回，出错返回有以下几种情况：

三次握手无法建立，客户端发出的 SYN 包没有任何响应，于是返回 TIMEOUT 错误。这种情况比较常见的原因是对应的服务端 IP 写错。
客户端收到了 RST（复位）回答，这时候客户端会立即返回 CONNECTION REFUSED 错误。这种情况比较常见于客户端发送连接请求时的请求端口写错，因为 RST 是 TCP 在发生错误时发送的一种 TCP 分节。产生 RST 的三个条件是：目的地为某端口的 SYN 到达，然而该端口上没有正在监听的服务器（如前所述）；TCP 想取消一个已有连接；TCP 接收到一个根本不存在的连接上的分节。
客户发出的 SYN 包在网络上引起了"destination unreachable"，即目的不可达的错误。这种情况比较常见的原因是客户端和服务器端路由不通.

TCP三次握手

TCP三次握手解读.png 这里的网络编程模型采用阻塞式的，所谓阻塞式，就是调用发起后不会直接返回，由操作系统内核处理之后才会返回。
服务器端通过 socket，bind 和 listen 完成了被动套接字的准备工作，被动的意思就是等着别人来连接，然后调用 accept，就会阻塞在这里，等待客户端的连接来临；客户端通过调用 socket 和 connect 函数之后，也会阻塞。接下来的事情是由操作系统内核完成的，更具体一点的说，是操作系统内核网络协议栈在工作。
具体过程：

客户端的协议栈向服务器端发送了 SYN 包，并告诉服务器端当前发送序列号 j，客户端进入 SYNC_SENT 状态；
服务器端的协议栈收到这个包之后，和客户端进行 ACK 应答，应答的值为 j+1，表示对 SYN 包 j 的确认，同时服务器也发送一个 SYN 包，告诉客户端当前我的发送序列号为 k，服务器端进入 SYNC_RCVD 状态；
客户端协议栈收到 ACK 之后，使得应用程序从 connect 调用返回，表示客户端到服务器端的单向连接建立成功，客户端的状态为 ESTABLISHED，同时客户端协议栈也会对服务器端的 SYN 包进行应答，应答数据为 k+1；
应答包到达服务器端后，服务器端协议栈使得 accept 阻塞调用返回，这个时候服务器端到客户端的单向连接也建立成功，服务器端也进入 ESTABLISHED 状态。