CASPP Chapter 11 Network Programming 学习笔记（不定期更新）

学习进度

Socket 套接字： 11.3.3，11.4
Web Servers: 11.5

Socket套接字 (11.3.3, 11.4)

学习契机

学习Java内存马之前，想再看看Tomcat服务器的总体框架，其中有提到socket的内容，之前学nc的时候，也提到了socket的方法，感觉不是特别熟悉，看来还得是CSAPP！

什么是socket套接字？

什么是socket套接字？我们经常能在网络编程，客户端与服务器的通信这样的话题中聊到socket套接字，以及其相关的方法，那么存在即有意义，我们就一起来看看什么是scoket套接字以及为什么需要socket套接字。

我们都熟悉OSI七层模型或者TCP/IP模型，知道在双方通信的过程中，数据在应用层或者高层发出之后，需要经过层层打包封装后再通过物理层发送给对方，之后再层层解析拆包，最终使接收方获取到真实的数据。以上场景是非常宏观的以及抽象的描述，简单来说，socket套接字就是其中一个环节的具体实现！

我们知道在Internet通信的双方是可以建立连接的，这样的连接是 point-to-point 点对点的，而这个点 endpoint 就是 socket ，所以我们现在可以说socket就是用来帮助通信的双方建立连接，接收，以及发送数据的。

那我们刚才将socket是通信的具体实现又是连接的端点，那么每一个socket是首先是由 socket address 即套接字地址唯一标识的（待确认），其中：

socket address又两部分组成(address:port)：

IP address
Port

那么一个连接，就是由一对 socket address 组成：(cliaddr:cliport, servaddr:servport) (客户端地址：客户端端口，服务端地址：服务端端口)

其中客户端的端口是由 kernel 自动分配的,我们叫做 ephemeral port (临时端口？)；同时服务端的端口就是预留端口用来表明特定的服务，比如Web服务器使用80端口，邮箱服务器使用25端口，相信大家应该对此都已经非常熟悉了。

Figure 1: 一对socket address (address:port)唯一标识一个连接

socket套接字具体的功能

在上一小节中我们提到了socket可以帮助建立连接以及接收和发送数据，那么具体是如何实现的呢？

说到实现，我们就可以想到Java中的实现接口，在这里也是一样，socket套接字其实就是一个Interface 接口，那么在不同的编程语言之间都用不同的实现以及API，我们在这里就从socket interface来介绍一下socket的功能

观察上图我们可以发现，通信的双方被定义为 Client 客户端以及 Server 服务端，同时

open_clientfd被定义为：getaddrinfo -> socket -> connect
open_listenfd被定义为：getaddrinfo -> socket -> bind -listen

在Section 10.2的学习中，我们知道了 socket 也是Linux中的一种文件类型，我们也知道了打开文件意味着分配到一个 descriptor 描述符，由此我们可以理解为，打开一个可以用于通信的 socket 文件需要满足以上步骤，接下来我们就来具体看看这些方法

getaddrinfo(… …): 用于帮助转换hostnames, host addresses, service names, and port numbers等参数的结构，以供后面的方法使用，这里暂时不展开了
socket(… …): 无论是客户端还是服务端，都需要先用 socket 方法来完成打开一个文件（详见10.1的opening files操作），同时返回一个 socket decriptor socket描述符来供应用使用

客户端socket

完成一个客户端socket需要执行 connect(int sockfd, const struct scokaddr *addr, ...) 方法，该方法会尝试与服务端socket的地址建立连接，并且该方法会block阻塞直到连接成功或者发生错误。

服务端socket

剩下的所有 socket 方法都是给服务端socket用的，包括 bind, listen, accept

bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen) : - bind() 方法会将我们之前用socket()方法创建的 socket descriptor 与 socket address地址关联起来 - 有一个问题就是为什么client socket不需要呢？ - 因为不使用 bind() 方法socket address的(IP address : port number)就会由kernel自动分配，也就是我们常见的客户端了 - 而使用了 bind() 方法就意味着我们可以指定其 socket address，也就是我们所说的服务端了

我们说Client socket是active主动的，是主动发起来连接的（connect()）;而Server socket则是被动的,是被动地等待有client等待连接的。

Kernel默认将由 socket() 方法创建的socket descriptor当作主动的socket（client），直到listen方法的出现，则会帮助kernel认出server socket

listen(int sockfd, int backlog) : - listen()方法将有一个active的socket转换为passive的socket（sockfd）来监听来自客户端的连接，而backlog则代表可以连接的数量（这里我猜测nc中如果开启了-k持续连接可能与这个参数也有关系？） - 也就是将原本的 socket() 方法返回的 sockfd 转化为 listening socket, 以此来等待来自client socket的连接

int accept(int listenfd, struct sockaddr *addr, int *addrlen) : - 当server socket来自client socket发起的连接（connect()）时，就会触发accept()方法 - accept() 方法将会接收之前 listen() 方法返回的listenfd，并且绑定发起连接的client socket的地址，最后返回 connected descriptor 来与client socket之间使用I/O操作进行通信

各个file descriptors之间的关系

上面的各种方法，都会使用以及返回各种file descriptor，是不是已经有点绕了，最后我们就一起来通过一个例子辨析一下吧

Figure 3: 各个file descriptors之间的关系
1. 通过socket方法创建Server socket，得到sockfd，在完成了listen()方法之后，返回得到listenfd，之后进入阻塞，等待客户端连接
2. 通过socket方法创建Client socket，得到clientfd，使用connect()方法发起连接请求
3. Server socket收到连接，调用 accept 方法，返回 connfd
4. 最终建立起 clientfd 与 connfd 两个文件之间的连接以及通信，所有的数据的传递都通过双方对于clientfd以及connfd两个文件的读写来完成
接着我们再来辨析一下由listen()方法所返回的 listening descriptor listenfd 与 accept()方法返回得到的connected descriptor connfd 之间的关系：
- listening descriptor是由server建立，为了client的connect()方法所服务的，一旦创建就会一直存在
- connected descriptor是由server建立了，是为了直接与client的clientfd之间通过I/O操作进行通信的，每当server接受一个连接就会创建直到服务结束
最后我们以一个问题结束这一小节的学习，为什么要区分listening以及connected descriptors？为什么不直接用listenfd来监听连接，同时建立连接一步到位呢？

乍一看connected descriptor多次一举，但是这个分离的设计却使一个多线程并行的服务器成为可能，server只需要使用一个listenfd来处理所有client发起的连接请求，再独立的开启 connected descriptor来进行通信即可。

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Reference

Randal E. Bryant, David R. O’Hallaron - Computer Systems. A Programmer’s Perspective [3rd ed.] (2016, Pearson)