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TCP，UDP

TCP

特点：

面向连接
超时重传
拥塞控制

TCP三次握手

TCP四次挥手

UDP

特点：

无连接
不可靠

使用udp的服务：DNS，SNMP这些场景对延时、丢包不敏感。

Socket

socket是网络编程中绕不开的一个话题，最早由伯克利大学的研究员提出，也称伯克利套接字。它可以视为一个用于屏蔽底层协议栈的接口。

下图是socket网络编程经典的Client/Server模型。

TCP模型

UDP模型

我们可以将整个socket网络的数据传输想象成打电话。打电话就需要有电话机，需要安装电话线，有了电话机装好电话线，我们还需要购买一个电话号码，这样别人才知道怎么能找到你。对比socket的api，bind就像是去电信公司开户，listen就是听到了电话铃声，accept就是拿起电话开始接听。

socket api	socket编程含义	现实世界
socket	创建socket	安装电话机
bind	绑定端口	开户，设定电话号码
listen	监听描述符	听到电话响铃
connect	建立连接	打通电话
accept	接受数据	收听
send/sendto	发送数据	说话
recv/recvfrom	接收数据	收听
close/shutdown	关闭描述符	关闭文件

Socket API概述

socket – 创建套接字

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

domain 指代PF_INET、PF_INET6 以及 PF_LOCAL 等，表示要创建何种套接字
type 的可用值
- SOCK_STREAM: 字节流，对应 TCP
- SOCK_DGRAM：数据报，对应 UDP
- SOCK_RAW: 原始套接字
Protocol 通信协议，depreciated，一般填写0

bind – 绑定电话号码

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

sockfd：socket创建出的文件描述符
addr：通用地址，注意这里的类型本身应该是void*，只是socket创建时c还不支持void*类型。bind 函数会根据 len 字段判断传入的参数 addr 该怎么解析，len 字段表示的就是传入的地址长度，它是一个可变值。
addrlen：地址长度

对于使用者来说，每次传参的时候我们都需要把ipv4，ipv6或者本地套接字转化为通用套接字的格式，如下：

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

故而我们可以把bind的参数理解成 void*, 只是BSD设计socket的时候（1982年）, 那时C还没有void*的支持。

listen – 接上电话线

bind函数让我们的套接字和地址关联，但是要让别人打通电话，我们还需要接上电话线，让服务处于可接听的状态。

int listen(int listensockfd, int backlog);

sockfd: 套接字描述符
backlog: 表示已完成(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。这个参数越大，理论上并发数目也越大。但是参数过大 -> 系统资源消耗多。对于Linux系统来说，不允许对这个参数进行改变。

accept – 电话铃响

int accept(int listensockfd, struct sockaddr *_Nullable restrict addr,
        socklen_t *_Nullable restrict addrlen);

sockfd: listen套接字，这是通过bind，listen一系列操作得到的fd
addr: 指向客户端地址的指针
addrlen: 地址的大小

要注意有两个套接字，第一个是监听套接字listensockfd，其作为输入参数存在；第二个是返回的已连接套接字描述字。

connect – 拨打电话

上述的api为服务器api，现在我们来看看客户端的api。客户端和服务器端的链接建立，是通过connect函数完成的。这是connect的构建函数：

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

sockfdfd: 由socket函数创建
addr: 指向套接字地址的结构
addrlen: 套接字地址结构大小

客户端在调用函数connect前不必非得调用bind，若需要的话，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。

若为tcp套接字，那么调用connect函数将激发TCP三次握手的过程，而且只在连接建立成功或者出错的时候才返回。其中出错返回可能有以下几种情况：

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。此类错误的常见原因是对应的服务端IP写错。
客户端收到了RST应答，此时客户端会立即返回CONNECTION REFUSED错误。这种情况常见于客户端发送连接请求时端口写错。因为 RST 是TCP在发生错误时发送的一种TCP分节。
1. 产生RST的三个条件：
  1. 目的地为某端口的SYN到达，但是该端口未被监听
  2. TCP想取消一个已有的连接
  3. TCP接收到一个根本不存在的连接上的分节
客户端发出的SYN包在网络上返回了destination unreachable, 即目的不可达错误。此类错误的常见原因是路由不通。
收发缓冲区

客户端在发送数据时可选择如下四个函数：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t send(int sockfd, const 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 sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

write是常见的文件写函数，如果fd换成常用的文件描述符，就是普通的写文件函数。
send 用于tcp流发送数据，sendto用于udp发送数据。可指定选项发送带外数据。
sendmsg 指定多重缓冲区传输数据，以结构体msghdr的方式发送数据。

以上函数的使用场景不同。

缓冲区大小

当TCP三次握手成功，TCP连接建立后，os kernel 会为每一个连接创建配套的设置，如发送缓冲区。

在linux系统中发送缓冲区的大小受以下选项和行为控制：

由kernel控制，缓冲区的最小值，默认值和最大值：

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem
4096    16384   4194304

由kernel控制，缓冲区的最大值：

cat  /proc/sys/net/core/wmem_max
212992

由kernel控制，缓冲区的默认值

cat /proc/sys/net/core/wmem_default
212992

在socket选项中，可通过setsockopt设置缓冲区大小为n

int send_buf_size = 20 * 1024 * 1024;
setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_SEND_BUF, &set_buf_size, sizeof(int));

要注意的是：

通过setsockopt设置缓冲区大小为n，但是最大大小受/proc/sys/net/core/wmem_max控制。且实际上我们发现getsockopt获取的缓冲区大小为2*n，这是基于overhead解包的需求，会多预留空间。

源码的处理：

case so_sendbuf:
if (val > sysctl_wmem_max)
        val = stsctl_wmen_max;
if ((val * 2) < SOCK_MIN_SENDBUF)
        sk->sk_sndbuf = SOCK_MIN_SENDBUF;
else
        sk->sk_sendbuf = val * 2;

写入数据

发送缓冲区的大小可以通过以上的设置改变，当我们的程序调用写入函数时，实际上做的事是将数据从user space拷贝到os kernel中的发送缓冲区中，而非将数据通过socket传出去。后续的部分由内核协议栈完成。

在写入缓冲区的时候有两种情况（非阻塞情况下）：

内核缓冲区足够大，足以容纳所要发送的数据，那么自然返回成功。
要发送的数据长度超过了当下内核缓冲区的空闲大小，那么这个时候send函数会返回已成功拷贝到缓冲区中的字节数。同时errno会被置为EAGAINorEWOULDBLOCK。

读取数据

让我们从最简单的read函数开始

ssize_t read(int fd, void *buffer, size_t size);

read函数要求os kernel从套接字fd读取最多size个字节，并将结果储存到buffer中。返回值告诉我们实际读取的字节数目。

特殊情况：

ret == 0; 表示EOF(end of file), 这在网络中表示对端发送了FIN包，要处理断连的情况
ret == -1; 表示出错。

相关问题

socket部分

socket默认为阻塞调用，既然有阻塞调用，那么就有非阻塞调用。那么如何使用非阻塞调用呢？使用的场景在哪里呢？

答：非阻塞的场景：高性能服务器编程。所有的调用都不需要等待对方准备好了再返回，而是立即返回。那么怎么知道是否准备好了？

就是将fd注册到类似select或者epoll这样的io多路复用机制中，变多个fd阻塞为一个fd阻塞。那么只要有任何一个fd准备好了，select或者epoll都会返回。我们再从中取出fd做对应的操作即可。

客户端在发起connect调用之前，可以调用bind函数吗？

答：客户端可以bind指定固定端口来建立连接。

若没有bind则会产生一个随机的端口来完成连接请求。

udp是否可以使用connect? udp使用connect和tcp有何不同？

答：udp可以使用connect。tcp协议使用connect是为了进行三次握手，而udp协议使用connect实际上不会向对端发送任何报文，而只是在本机建立起四元组的上下文。udp在使用connect后可以使用send来代替sendto，这是因为四元组是上下文已经建立，若未使用connect，则需要使用sendto显式指定对端的ip和port。

write函数传入普通文件描述符和套接字描述符有什么区别？

答：1）对于普通文件描述符而言，一个fd代表一个打开了的文件句柄。通过调用write函数，os kernel帮我们往文件系统中不断地写入字节流。通常而言，写入的字节流大小和输入参数size的值是相等的，否则表示出错。

2）而对于套接字fd来说，它代表一个双向的连接，在套接字fd上调用write写入的字节数有可能比我们申请的要少（在缓冲区满的情况下）。

udp单次传输的最大数据量是多少？

答：我们知道ip封包的总长度为两字节，即一个ip包最大长度为65535，那么减去一个ip头（20字节），减去一个udp头（8字节）= 65507字节。

在写入发送缓冲区时若缓冲区若数据为全部拷贝，如何解决发送数据不完整的问题？（即所谓半包问题）

答：由于我们已知成功拷贝到缓冲区的字节数，一个较好的处理方式是将剩余未拷贝的数据保存下来，然后监控该fd直到下次可写状态到来。再将其写入缓冲区。

能否把内核发送缓冲区的大小无限调大？

答：不行。

网卡一次发出去的数据表肯定也有一个最大长度，所以无论累计再多数据最后都是要分片发送的。
数据传输有时延要求，缓冲区里如果有数据的话也会持续进行消费，将缓冲区设置的太大反而浪费系统资源。

一段数据流从应用程序发送端，一直到应用程序接收端，总共经过多少次拷贝？

答：8次。主要体会tcp/ip分层的思想。

TCP协议部分

简单说说，为什么tcp连接需要三次握手？

答：本质上是因为tcp连接的双方都要确认各自收发消息的能力是正常的。

Client -- syn --> Server: 这是客户端第一次发送syn消息到服务端，此时client可以确认自己有发消息的能力。

Clinet <-- syn, ack -- Server: 服务器发送sync和ack到，此时server确认自己有收，发消息的能力，还需确认client有收消息的能力。

Clinet -- ack --> Server: 客户端确认自己有接收的能力。

如果握手过程中客户端的第三次应答，服务器没有收到，然后客户端开始发消息给服务器，这时候服务器和客户端的表现是什么？客户端会收到什么返回？

答：如果三次应答服务器没有收到，服务端连接没有建立，客户端连接建立了，发送的报文会被设置为连接RST。