Java网络编程(二):套接字
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清风伴月 发表于3个月前
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端口号

我们上一节课讲了IP地址在网络协议中的所处的层次,以及它的作用,这一节课,我们再讲一下端口号的作用。

我们知道一些比较著名的协议都是运行在特定的端口上的,比如 ftp 运行在 21 号端口,telnet 运行在 23 号端口,http 协议通常占用 80 端口,那么什么是端口呢?

设想操作系统从网卡上得到数据(本质上,它是一个IP数据报),先根据 IP 协议把这个数据拆开,就得到了TCP的报文,然后再把这个报文按照TCP协议拆开,就会得到应用层数据,这个数据操作系统要负责交给相应的进程的。操作系统是怎么找到对应的进程的呢?其实可以给这个报文加一个整数啊,操作系统来记录这个映射。如果这个整数值为1,就转发给X进程,如果为2,就转发给Y进程。这个整数有个形象的名字:端口(PORT)。我们看一下TCP协议的报文格式:

开头就是16位源端口号和16位目的端口号。通过目的端口号,操作系统就知道把这个数据转发给与这个端口相对应的进程了。当要回消息的时候,就得带上源端口号,比如说是 XXX,告诉对方的操作系统这个消息是给你的 XXX 端口上的进程。这就是端口号的作用。

来算个有趣的问题。一台服务器理论上能支持多少个连接(假如所有IP地址都可用,所有端口号都可用)。

套接字编程

好了,关于TCP/IP协议,我们讲这么多就够了。更多的知识,请自己挖掘吧,我们这个课程毕竟只是讲怎么写程序,而不是讲网络协议。接下来,我们看一下 linux 操作系统上如何进行网络编程。

为什么要讲这个呢?这是因为 JVM 的底层也是使用了操作系统的网络编程接口,如果一旦有针对网络特性的其他要求,研究JVM的网络源代码就很有必要了,这时候熟悉 linux 的 socket 接口就是一个很必要的技能了。当然,如果临时你不想学这个,也没关系,可以先收藏了,等以后用到再看也是可以的,这个并不影响接下来,我们的Java课程。

在 linux 上的网络编程接口,主要就是socket。这一套编程接口主要包括以下这几个系统调用:

socket()函数

 

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

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字,socket()用于创建一个socket描述符(socket descriptor),它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样,后续的操作都有用到它,把它作为参数,通过它来进行一些读写操作。

正如可以给fopen的传入不同参数值,以打开不同的文件。创建socket的时候,也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符,socket函数的三个参数分别为:

domain:即协议域,又称为协议族(family)。常用的协议族有,AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL(或称AF_UNIX,Unix域socket)、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型,在通信中必须采用对应的地址,如AF_INET决定了要用ipv4地址(32位的)与端口号(16位的)的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。

type:指定socket类型。常用的socket类型有,SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。

protocol:故名思意,就是指定协议。常用的协议有,IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等,它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。

注意:并不是上面的type和protocol可以随意组合的,如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时,会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用 socket 创建一个socket时,没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址,就必须调用bind()函数。

bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数的三个参数分别为:

sockfd:即socket描述字,它是通过socket()函数创建了,唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

addr:一个const struct sockaddr *指针,指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同,如ipv4对应的是:

  • struct sockaddr_in {
        sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
        in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
        struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
    };
    
    /* Internet address. */
    struct in_addr {
        uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
    };
    
    ipv6对应的是: 
     
    struct sockaddr_in6 { 
        sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
        in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
        uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
        struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
        uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
    };
    
    struct in6_addr { 
        unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
    };
    
    Unix域对应的是: 
    #define UNIX_PATH_MAX    108
    
    struct sockaddr_un { 
        sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
        char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
    };
    

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址(如ip地址+端口号),用于提供服务,客户就可以通过它来接连服务器;而客户端就不用指定,有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind(),而客户端就不会调用,而是在connect()时由系统随机生成一个。

listen()、connect()函数

如果作为一个服务器,在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket,如果客户端这时调用connect()发出连接请求,服务器端就会接收到这个请求。

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字,第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的,listen函数将socket变为被动类型的,等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字,第二参数为服务器的socket地址,第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后,就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后,就会调用accept()函数取接收请求,这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了,即类同于普通文件的读写I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字,第二个参数为指向struct sockaddr *的指针,用于返回客户端的协议地址,第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功,那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字,代表与返回客户的TCP连接。

注意:accept的第一个参数为服务器的socket描述字,是服务器开始调用socket()函数生成的,称为监听socket描述字;而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字,它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字,当服务器完成了对某个客户的服务,相应的已连接socket描述字就被关闭。

read()、write()等函数

服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了,即实现了网咯中不同进程之间的通信!网络I/O操作有下面几组:

  • read()/write()
  • recv()/send()
  • readv()/writev()
  • recvmsg()/sendmsg()
  • recvfrom()/sendto()

它们的声明如下:

       #include <unistd.h>

       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

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

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

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

read函数是负责从fd中读取内容。当读成功时,read返回实际所读的字节数,如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了,小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的,如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1,并设置errno变量。 在网络程序中,当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0,表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0,此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

其它的就不一一介绍了。这几对I/O函数了,具体参见man文档或者使用搜索引擎,下面的例子中将使用到send/recv。

close()函数

在服务器与客户端建立连接之后,会进行一些读写操作,完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字,好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭,然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用,也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1,只有当引用计数为0的时候,才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

原文地址:socket通信简介 - xiaoweige207的专栏 - 博客频道 - CSDN.NET

今天的内容只是罗列一下资料,没什么重要的。下节课,我们会看一下JVM源码里是怎么做的。好了,今天没什么作业,就先这样吧。

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