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传输层
- UDP(User Datagram Protocol), 无连接, 不可靠, 全双工, UDP套接字是一种数据报套接字
- TCP(Transmission Control Protocol), 客户端服务器建立连接, 全双工, 可靠, 包含动态估算RTT算法, 流量控制, 超时重传
- SCTP(Stream Control Transmission Protocol), 面向消息, 面向连接, 单个SCTP断点支持多个IP地址(
多宿性)
TCP三次握手
- 客户端主动连接服务器(
connect()), 并发送一个SYN(告诉服务器未来发送数据的初始序列号) - 服务器一直等待连接(
accept()), 收到SYN后, 发出新的SYN+ACK进行确认 - 客户端向服务器发出ACK确认, accept返回套接字描述符
TCP四次终止
- 客户端主动关闭(
close()), 向服务器端发送FIN表示数据发送完毕 - 服务器端收到FIN后, 向客户端发出ACK确认, FIN表明服务器端不需要再接收数据
- 一段时间后, 服务器端接收到进程关闭套接字描述符(
close()), 并想客户端发送一个FIN - 客户端收到FIN后, 向服务器发出确认
( 注意: )三阶段到四阶段, 主动关闭的一方进入 TIME_WAIT 状态, 为了可靠的实现TCP全双工连接的终止, 允许老的重复分解在网络中消失(P37)
套接字表面上可以认为由IP和端口号组成, IP用来表示不同的主机(也就是端到端), 端口号用来表示一台主机上不同的进程(不同进程使用不同的端口号)
TCP输出过程:
- 进程调用write(), 内核从应用进程的缓冲区复制所有数据到套接字的发送缓冲区(
SO_SNDBUF) - 如果套接字发送缓冲区小于应用发送缓冲区(或者套接字发送缓冲已有数据), 则进程睡眠(
阻塞). - 直到进程缓冲区所有数据都复制的发送缓冲区.
- TCP从套接字发送缓冲区提取并发送数据(
数据未确认前, TCP保留数据副本)
write()返回仅表示可以重新使用应用缓冲区, 并 不标明另一端的TCP接收到数据
对于UDP, 如果进程写一个 大于套接字缓冲区大小的数据报 , 内核将返回 EMSGSIZE错误 , UDP不保留数据副本
write调用成功返回表示 所写数据报已被加入数据链路层的传输队列
套接字
- bind, connect, sendto, sendmsg是从进程到内核传递套接字
- accept, recvfrom, recvmsg, getpeername, getsockname是从内核到进程传递套接字
//所有类型的套接字都至少是16字节
struct sockaddr_in {
uint8_t sin_len; /* length of struct */
sa_family_t sin_family; /* Address family */
in_port_t int sin_port; /* Port number */
struct in_addr sin_addr; /* Internet address */
unsigned char sin_zero[ 8 ]; /* Same size as struct sockaddr */
};
struct in_addr {
in_addr_t s_addr; /* 32-bit network byte ordered IPv4 address */
};
//网络编程函数中的struct sockaddr参数
struct sockaddr {
uint8_t sa_len;
sa_family sa_family; /* address family, AF_xxx */
char sa_data[ 14 ]; /* 14 bytes of protocol address */
};
struct sockaddr_in serv; //IPv4套接字结构
( struct sockaddr *)&serv //强制类型转换
- 内存中存储数据的方法分为
小端字节序和大端字节序 - 网络协议指定
网络字节序规则各字节传送顺序(使用大端字节序)
ASCII字符串与网络字节序的二进制值进行转换
# include <arpa/inet.h>
/* 下面两个函数仅适用于IPv4 */
//将字符串转换为网络字节序二进制数, 字符串有效返回1, 否则返回0
int inet_aton( const char *cp, struct in_addr *pin);
//将网络字节序二进制转换为点十进制字符换
char *inet_ntoa( struct in_addr in);
/* 适用于IPv4和IPv6 */
int inet_pton( int family, const char * restrict src, void * restrict dst);
const char *inet_ntop( int af, const void * restrict src, char * restrict dst, socklen_t size);
Rio
字节流套接字条用调用read或write输入和输出的字节数可以比请求的数量少, 原因在于内核中用于套接字的缓冲区可能已达到极限, 这一点在 CSAPP 中 Rio 章节同样有深入的讲解.
* The Rio package - robust I/O functions
**********************************************************************/
/*
* rio_readn - robustly read n bytes (unbuffered)
*/
/* $begin rio_readn */
ssize_t rio_readn( int fd, void *usrbuf, size_t n) { //等价与UNP中的readn函数
size_t nleft = n;
ssize_t nread;
char *bufp = usrbuf;
while (nleft > 0 ) {
if ((nread = read(fd, bufp, nleft)) < 0 ) {
if (errno == EINTR) /* interrupted by sig handler return */
nread = 0 ; /* and call read() again */
else
return - 1 ; /* errno set by read() */
}
else if (nread == 0 )
break ; /* EOF */
nleft -= nread; //nleft保存剩余需要读取的字节数， nread表示已读字节数
bufp += nread; // bufp始终指向要读取的字符串起始位置
}
return (n - nleft); /* return >= 0 */
}
/* $end rio_readn */
/*
* rio_writen - robustly write n bytes (unbuffered)
*/
/* $begin rio_writen */
ssize_t rio_writen( int fd, void *usrbuf, size_t n) { //等价于UNP中的writen函数
size_t nleft = n;
ssize_t nwritten;
char *bufp = usrbuf;
while (nleft > 0 ) {
if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) <= 0 ) {
if (errno == EINTR) /* interrupted by sig handler return */
nwritten = 0 ; /* and call write() again */
else
return - 1 ; /* errno set by write() */
}
nleft -= nwritten;
bufp += nwritten;
}
return n;
}
/* $end rio_writen */
/*
* rio_read - This is a wrapper for the Unix read() function that
* transfers min(n, rio_cnt) bytes from an internal buffer to a user
* buffer, where n is the number of bytes requested by the user and
* rio_cnt is the number of unread bytes in the internal buffer. On
* entry, rio_read() refills the internal buffer via a call to
* read() if the internal buffer is empty.
*/
/* $begin rio_read */
static ssize_t rio_read(rio_t *rp, char *usrbuf, size_t n)
{
int cnt;
while (rp->rio_cnt <= 0 ) { /* refill if buf is empty */
rp->rio_cnt = read(rp->rio_fd, rp->rio_buf,
sizeof (rp->rio_buf)); //调用的是系统read函数，预先读取到内部缓冲区中
if (rp->rio_cnt < 0 ) {
if (errno != EINTR) /* interrupted by sig handler return */
return - 1 ;
} else if (rp->rio_cnt == 0 ) /* EOF */
return 0 ;
else
rp->rio_bufptr = rp->rio_buf; /* reset buffer ptr */
}
/* Copy min(n, rp->rio_cnt) bytes from internal buf to user buf */
cnt = n;
if (rp->rio_cnt < n)
cnt = rp->rio_cnt;
memcpy (usrbuf, rp->rio_bufptr, cnt); //rio_bufptr始终指向字符串初始复制位置，复制cnt个倡导到usrbuf
rp->rio_bufptr += cnt; //复制初始位置指针后移
rp->rio_cnt -= cnt; //缓冲区大小剪掉已读取字符数
return cnt; //返回已读取字符数， 返回值与系统read含义类似
}
/* $end rio_read */
/*
* rio_readinitb - Associate a descriptor with a read buffer and reset buffer*（缓冲区初始化）
*/
/* $begin rio_readinitb */
void rio_readinitb(rio_t *rp, int fd)
{
rp->rio_fd = fd;
rp->rio_cnt = 0 ;
rp->rio_bufptr = rp->rio_buf;
}
/* $end rio_readinitb */
/*
* rio_readnb - Robustly read n bytes (buffered)
*/
/* $begin rio_readnb */
ssize_t rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n)
{
size_t nleft = n;
ssize_t nread;
char *bufp = usrbuf;
while (nleft > 0 ) {
if ((nread = rio_read(rp, bufp, nleft)) < 0 ) {
if (errno == EINTR) /* interrupted by sig handler return */
nread = 0 ; /* call read() again */
else
return - 1 ; /* errno set by read() */
} else if (nread == 0 )
break ; /* EOF */
nleft -= nread;
bufp += nread;
}
return (n - nleft); /* return >= 0 */
}
/* $end rio_readnb */
/*
* rio_readlineb - robustly read a text line (buffered) 线程安全
*/
/* $begin rio_readlineb */
ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t maxlen)
{
int n, rc;
char c, *bufp = usrbuf;
for (n = 1 ; n < maxlen; n++) {
if ((rc = rio_read(rp, &c, 1 )) == 1 ) {
*bufp++ = c;
if (c == '/n' )
break ;
} else if (rc == 0 ) {
if (n == 1 )
return 0 ; /* EOF, no data read */
else
break ; /* EOF, some data was read */
} else
return - 1 ; /* error */
}
*bufp = 0 ;
return n;
}
/* $end rio_readlineb */
/**********************************
* Wrappers for robust I/O routines
**********************************/
ssize_t Rio_readn( int fd, void *ptr, size_t nbytes)
{
ssize_t n;
if ((n = rio_readn(fd, ptr, nbytes)) < 0 )
unix_error( "Rio_readn error" );
return n;
}
void Rio_writen( int fd, void *usrbuf, size_t n)
{
if (rio_writen(fd, usrbuf, n) != n)
unix_error( "Rio_writen error" );
}
void Rio_readinitb(rio_t *rp, int fd)
{
rio_readinitb(rp, fd);
}
ssize_t Rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n)
{
ssize_t rc;
if ((rc = rio_readnb(rp, usrbuf, n)) < 0 )
unix_error( "Rio_readnb error" );
return rc;
}
ssize_t Rio_readlineb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t maxlen)
{
ssize_t rc;
if ((rc = rio_readlineb(rp, usrbuf, maxlen)) < 0 )
unix_error( "Rio_readlineb error" );
return rc;
}
Stevens的UNP中使用static不是线程安全的，在CSapp中rio_readlineb和rio_readnb修改了两个缺陷，都是缓冲区读，并且线程安全， 其中核心为rio_t读缓冲区struct
/* Persistent state for the robust I/O (Rio) package */
/* $begin rio_t */
# define RIO_BUFSIZE 8192
typedef struct {
int rio_fd; /* descriptor for this internal buf */
int rio_cnt; /* unread bytes in internal buf */
char *rio_bufptr; /* next unread byte in internal buf */
char rio_buf[RIO_BUFSIZE]; /* internal buffer */
} rio_t;
/* $end rio_t */
参考
- UNIX网络编程第三版
- 深入理解计算机系统（系统I/O章节）
搞个gitee的项目
![[HBLOG]公众号](https://www.liuhaihua.cn/img/qrcode_gzh.jpg)
