mysileng

轉自https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part6/， 作者：鄭彥興

一個套接口可以看作是進程間通信的端點（endpoint），每個套接口的名字都是唯一的（唯一的含義是不言而喻的），其他進程可以發現、連接并且 與之通信。通信域用來說明套接口通信的協議，不同的通信域有不同的通信協議以及套接口的地址結構等等，因此，創建一個套接口時，要指明它的通信域。比較常 見的是unix域套接口（采用套接口機制實現單機內的進程間通信）及網際通信域。

1、背景知識

linux目前的網絡內核代碼主要基于伯克利的BSD的unix實現，整個結構采用的是一種面向對象的分層機制。層與層之間有嚴格的接口定義。這里我們引用[1]中的一個圖表來描述linux支持的一些通信協議：

我們這里只關心IPS，即因特網協議族，也就是通常所說的TCP/IP網絡。我們這里假設讀者具有網絡方面的一些背景知識，如了解網絡的分層結構，通常所說的7層結構；了解IP地址以及路由的一些基本知識。

目前linux網絡API是基于BSD套接口的（系統V提供基于流I/O子系統的用戶接口，但是linux內核目前不支持流I/O子系 統）。套接口可以說是網絡編程中一個非常重要的概念，linux以文件的形式實現套接口，與套接口相應的文件屬于sockfs特殊文件系統，創建一個套接 口就是在sockfs中創建一個特殊文件，并建立起為實現套接口功能的相關數據結構。換句話說，對每一個新創建的BSD套接口，linux內核都將在 sockfs特殊文件系統中創建一個新的inode。描述套接口的數據結構是socket，將在后面給出。

2、重要數據結構

下面是在網絡編程中比較重要的幾個數據結構，讀者可以在后面介紹編程API部分再回過頭來了解它們。

（1）表示套接口的數據結構struct socket

套接口是由socket數據結構代表的，形式如下： 

（2）描述套接口通用地址的數據結構struct sockaddr

由于歷史的緣故，在bind、connect等系統調用中，特定于協議的套接口地址結構指針都要強制轉換成該通用的套接口地址結構指針。結構形式如下： 

（3）描述因特網地址結構的數據結構struct sockaddr_in（這里局限于IP4）：

一般來說，讀者最關心的是前三個域，即通信協議、端口號及地址。

3、套接口編程的幾個重要步驟：

（1）創建套接口，由系統調用socket實現：

參數domain指明通信域，如PF_UNIX（unix域），PF_INET（IPv4），PF_INET6(IPv6) 等；type指明通信類型，如SOCK_STREAM(面向連接方式)、SOCK_DGRAM(非面向連接方式)等。一般來說，參數protocol可設 置為0，除非用在原始套接口上（原始套接口有一些特殊功能，后面還將介紹）。

注：socket（）系統調用為套接口在sockfs文件系統中分配一個新的文件和dentry對 象，并通過文件描述符把它們與調用進程聯系起來。進程可以像訪問一個已經打開的文件一樣訪問套接口在sockfs中的對應文件。但進程絕不能調用 open()來訪問該文件（sockfs文件系統沒有可視安裝點，其中的文件永遠不會出現在系統目錄樹上），當套接口被關閉時，內核會自動刪除 sockfs中的inodes。

（2）綁定地址

根據傳輸層協議（TCP、UDP）的不同，客戶機及服務器的處理方式也有很大不同。但是，不管通信雙方使用何種傳輸協議，都需要一種標識自己的機制。

通信雙方一般由兩個方面標識：地址和端口號（通常，一個IP地址和一個端口號常常被稱為一個套接口）。根據地址可以尋址到主機，根據端口號則可以尋址到主機提供特定服務的進程，實際上，一個特定的端口號代表了一個提供特定服務的進程。

對于使用TCP傳輸協議通信方式來說，通信雙方需要給自己綁定一個唯一標識自己的套接口，以便建立連接；對于使用UDP傳輸協議，只需 要服務器綁定一個標識自己的套接口就可以了，用戶則不需要綁定(在需要時，如調用connect時[注1]，內核會自動分配一個本地地址和本地端口號)。 綁定操作由系統調用bind()完成：

第二個參數對于Ipv4來說，實際上需要填充的結構是struct sockaddr_in，前面已經介紹了該結構。這里只想強調該結構的第一個域，它表明該套接口使用的通信協議，如AF_INET。聯系socket系統 調用的第一個參數，讀者可能會想到PF_INET與AF_INET究竟有什么不同？實際上，原來的想法是每個通信域（如PF_INET）可能對應多個協議 （如AF_INET），而事實上支持多個協議的通信域一直沒有實現。因此，在linux內核中，AF_***與PF_***被定義為同一個常數，因此，在 編程時可以不加區分地使用他們。

注1：在采用非面向連接通信方式時，也會用到connect()調用，不過與在面向連接中的 connect（）調用有本質的區別：在非面向連接通信中，connect調用只是先設置一下對方的地址，內核為本地套接口記下對方的地址，然后采用 send()來發送數據，這樣避免每次發送時都要提供相同的目的地址。其中的connect()調用不涉及握手過程；而在面向連接的通信方式 中，connect()要完成一個嚴格的握手過程。

（3）請求建立連接（由TCP客戶發起）

對于采用面向連接的傳輸協議TCP實現通信來說，一個比較重要的步驟就是通信雙方建立連接（如果采用udp傳輸協議則不需要），由系統調用connect()完成：

第一個參數為本地調用socket后返回的描述符，第二個參數為服務器的地址結構指針。connect（）向指定的套接口請求建立連接。

注：與connect（）相對應，在服務器端，通過系統調用listen()，指定服務器端的套接口為監聽套接口，監聽每一個向服務器套接口發出的連接請求，并通過握手機制建立連接。內核為listen()維護兩個隊列：已完成連接隊列和未完成連接隊列。

（4）接受連接請求（由TCP服務器端發起）

服務器端通過監聽套接口，為所有連接請求建立了兩個隊列：已完成連接隊列和未完成連接隊列（每個監聽套接口都對應這樣兩個隊列，當然， 一般服務器只有一個監聽套接口）。通過accept()調用，服務器將在監聽套接口的已連接隊列頭中，返回用于代表當前連接的套接口描述字。

第一個參數指明哪個監聽套接口，一般是由listen（）系統調用指定的（由于每個監聽套接口都對應已連接和未連接兩個隊列，因此它的 內部機制實質是通過sockfd指定在哪個已連接隊列頭中返回一個用于當前客戶的連接，如果相應的已連接隊列為空，accept進入睡眠）。第二個參數指 明客戶的地址結構，如果對客戶的身份不感興趣，可指定其為空。

注：對于采用TCP傳輸協議進行通信的服務器和客戶機來說，一定要經過客戶請求建立連接，服務器接受連接請求這一過程；而對采用UDP傳輸協議的通信雙方則不需要這一步驟。

（5）通信

客戶機可以通過套接口接收服務器傳過來的數據，也可以通過套接口向服務器發送數據。前面所有的準備工作（創建套接口、綁定等操作）都是為這一步驟準備的。

常用的從套接口中接收數據的調用有：recv、recvfrom、recvmsg等，常用的向套接口中發送數據的調用有send、sendto、sendmsg等。

這里不再對這些調用作具體的說明，只想強調一下，recvfrom（）以及recvmsg（）可用于面向連接的套接口，也可用于面向非 連接的套接口；而recv（）一般用于面向連接的套接口。另外，在調用了connect()之后，就應給調用send()而不是sendto()了，因為 調用了connect之后，目標就已經確定了。

前面講到，socket（）系統調用返回套接口描述字，實際上它是一個文件描述符。所以，可以對套接口進行通常的讀寫操作，即使用 read()及write()方法。在實際應用中，由于面向連接的通信（采用TCP傳輸協議）是可靠的，同時又保證字節流原有的順序，所以更適合用 read及write方法。而非面向連接的通信（采用UDP傳輸協議）是不可靠的，字節流也不一定保持原有的順序，所以一般不宜用read及write方 法。

（6）通信的最后一步是關閉套接口

由close()來完成此項功能，它唯一的參數是套接口描述字，不再贅述。

4、典型調用代碼：

到處可以發現基于套接口的客戶機及服務器程序，這里不再給出完整的范例代碼，只是給出它們的典型調用代碼，并給出簡要說明。

（1）典型的TCP服務器代碼：

注：端口號的分配是有一些慣例的，不同的端口號對應不同的服務或進程。比如一般都把端口號21分配給 FTP服務器的TCP/IP實現。端口號一般分為3段，0-1023（受限的眾所周知的端口，由分配數值的權威機構IANA管 理），1024-49151（可以從IANA那里申請注冊的端口），49152-65535（臨時端口，這就是為什么代碼中的端口號為49152）。

對于多字節整數在內存中有兩種存儲方式：一種是低字節在前，高字節在后，這樣的存儲順序被稱為低端字節序（little- endian）；高字節在前，低字節在后的存儲順序則被稱為高端字節序（big-endian）。網絡協議在處理多字節整數時，采用的是高端字節序，而不 同的主機可能采用不同的字節序。因此在編程時一定要考慮主機字節序與網絡字節序間的相互轉換。這就是程序中使用htons函數的原因，它返回網絡字節序的 整數。

（2）典型的TCP客戶代碼：

對比兩段代碼可以看出，許多調用是服務器或客戶機所特有的。另外，對于非面向連接的傳輸協議，代碼還有簡單些，沒有連接的發起請求和接收請求部分。

5、網絡編程中的其他重要概念

下面列出了網絡編程中的其他重要概念，基本上都是給出這些概念能夠實現的功能，讀者在編程過程中如果需要這些功能，可查閱相關概念。

（1）、I/O復用的概念

I/O復用提供一種能力，這種能力使得當一個I/O條件滿足時，進程能夠及時得到這個信息。I/O復用一般應用在進程需要處理多個描述 字的場合。它的一個優勢在于，進程不是阻塞在真正的I/O調用上，而是阻塞在select()調用上，select()可以同時處理多個描述字，如果它所 處理的所有描述字的I/O都沒有處于準備好的狀態，那么將阻塞；如果有一個或多個描述字I/O處于準備好狀態，則select()不阻塞，同時會根據準備 好的特定描述字采取相應的I/O操作。

（2）、Unix通信域

前面主要介紹的是PF_INET通信域，實現網際間的進程間通信。基于Unix通信域（調用socket時指定通信域為 PF_LOCAL即可）的套接口可以實現單機之間的進程間通信。采用Unix通信域套接口有幾個好處：Unix通信域套接口通常是TCP套接口速度的兩 倍；另一個好處是，通過Unix通信域套接口可以實現在進程間傳遞描述字。所有可用描述字描述的對象，如文件、管道、有名管道及套接口等，在我們以某種方 式得到該對象的描述字后，都可以通過基于Unix域的套接口來實現對描述字的傳遞。接收進程收到的描述字值不一定與發送進程傳遞的值一致（描述字是特定于 進程的），但是特們指向內核文件表中相同的項。

（3）、原始套接口

原始套接口提供一般套接口所不提供的功能： 

• 原始套接口可以讀寫一些用于控制的控制協議分組，如ICMPv4等，進而可實現一些特殊功能。
• 原始套接口可以讀寫特殊的IPv4數據包。內核一般只處理幾個特定協議字段的數據包，那么一些需要不同協議字段的數據包就需要通過原始套接口對其進行讀寫；
• 通過原始套接口可以構造自己的Ipv4頭部，也是比較有意思的一點。

創建原始套接口需要root權限。

（4）、對數據鏈路層的訪問

對數據鏈路層的訪問，使得用戶可以偵聽本地電纜上的所有分組，而不需要使用任何特殊的硬件設備，在linux下讀取數據鏈路層分組需要創建SOCK_PACKET類型的套接口，并需要有root權限。

（5）、帶外數據（out-of-band data）

如果有一些重要信息要立刻通過套接口發送（不經過排隊），請查閱與帶外數據相關的文獻。

（6）、多播

linux內核支持多播，但是在默認狀態下，多數linux系統都關閉了對多播的支持。因此，為了實現多播，可能需要重新配置并編譯內核。具體請參考[4]及[2]。

結論：linux套接口編程的內容可以說是極大豐富，同時它涉及到許多的網絡背景知識，有興趣的讀者可在[2]中找到比較系統而全面的介紹。

至此，本專題系列（linux環境進程間通信）全部結束了。實際上，進程間通信的一般意義通常指的是消息隊列、信號燈和共享內存，可以是posix的，也可以是SYS v的。本系列同時介紹了管道、有名管道、信號以及套接口等，是更為一般意義上的進程間通信機制。

參考資料

• Understanding the Linux Kernel, 2nd Edition, By Daniel P. Bovet, Marco Cesati , 對各主題闡述得重點突出，脈絡清晰。網絡部分分析集中在TCP/IP協議棧的數據連路層、網絡層以及傳輸層。
  
  
• UNIX 網絡編程第一卷：套接口API和X/Open傳輸接口API，作者：W.Richard Stevens，譯者：楊繼張，清華大學出版社。不僅對套接口網絡編程有極好的描述，而且極為詳盡的闡述了相關的網絡背景知識。不論是入門還是深入研究， 都是不可多得的好資料。
  
  
• Linux內核源代碼情景分析（下），毛德操、胡希明著，浙江大學出版社，給出了unix域套接口部分的內核代碼分析。
  
  
• GNU/Linux編程指南，入門、應用、精通，第二版，Kurt Wall等著，張輝譯