[UNP]:套接字选项

有以下几个API可以用于设置套接字选项:

  • getsockopt()
  • setsockopt()
  • fcntl()
  • ioctl()

本文将会这些API以及选项进行介绍

选项汇总图

  • 套接字层和IP层

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  • 传输层

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1. getsockopt(), setsockopt()

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#include <sys/socket.h>
int getsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optname, void *optval, socklen_t *optlen);
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
                                                               // return：成功0，出错-1

  • sockfd

    打开的套接字描述符

  • level

    用于指定选项是应对通用套接字还是指定特定协议(IPV4, IPV6, SCTP)

  • optname

    选项名，即一些指定的宏

  • optval

    • setsockopt()通过它获取新值，
    • getsockopt()把已获取的选项当前值存放到optval所指向的内容

  • optlen

    optval的大小

fcntl(), ioctl()套接字操作图

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2. fcntl()

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#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, .../* int arg */);
                          // return: 成功的返回值取决于 cmd, 失败：返回-1

  • fd

    描述符(文件/套接字/路由)

  • cmd

    所做的操作，最重要的操作包含两个

    • F_SETFL

      设置选项

    • F_GETFL

      获取选项

  • arg

    参数列表，与cmd搭配， 两个重要的选项：

    • O_NONBLOCK

      通过F_SETFL将套接字设置为O_NONBLOCK, 可以将一个套接字设置为非阻塞型

    • O_ASYNC

      通过F_SETFL将套接字设置为O_ASYNC, 可以将一个套接字设置为一旦其状态发生变化，内核就产生一个SIGIO信号

设置选项的典型使用方法

  • 获取选项

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    int flag;
    /* Set a socket as nonblocking */
    if((flag=fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0){    //必须要先获取其他文件标志
        err_sys("F_GETFL, error");
    }

  • 设置选项

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    flag |= O_NONBLOCK;                       //或运算，打开非阻塞标志
    if(fcntl(fd, F_SETFL, flags) <0 ){
        err_sys("F_SETFL error");
    }

  • 取消选项

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    flag &= ~O_NONBLOCK;                      //与运算，关闭非阻塞标志
    if(fcntl(fd, F_SETFL, flags) <0 ){
        err_sys("F_SETFL error");
    }

3. ioctl()

在网络编程方面，该函数主要适用的操作主要包括6个方面

  • 套接字操作
  • 文件操作
  • 网络接口操作
  • ARP表操作
  • 路由表操作
  • 流系统

其中在套接字操作与文件操作方面，ioctl()的很多操作与fcntl()功能重合，而ARP表操作，路由表，流系统操作使用的又很少，因此ioctl()真正有用的操作还是网络接口方面

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#include <unistd.h>
int ioctl(int fd, int request, ...);
                                    // return: 成功：返回0 失败：返回-1

  • 参数概览

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下面只对接口操作方面进行介绍

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ifconf对象被SIOCGICONFI请求所使用, 初始化时，给定的ifconf如下图

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当从函数返回时，ifconf结构中将会包含多个ifcreq对象，每一个对象代表了一个接口

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阴影部分表示内容被修改，返回后的ifc_len字段指出了所有ifcreq对象的长度和

4. 重要选项说明

IPV4

SO_SNDBUF, SO_RCVBUF

  • 套接字缓冲区

    发送缓冲区

    • 每一个TCP, UDP套接字都有一个发送缓冲区，当应用进程调用write()时，内核会从应用进程的缓冲区复制所有数据到所写套接字的发送缓冲区

    • 如果套接字的发送缓冲区容不下进程的所有数据，假设默认情况下套接字阻塞，那么应用进程将被置于休眠状态，在上面的情况下内核将不会从应用进程返回，直到应用进程缓冲区中的所有数据都复制到套接字发送缓冲区

    • 故写一个套接字的write()调用成功仅意味着数据已经从应用程序缓冲区移动到了套接字缓冲区，并不意味着对端已经接收到了数据

    • 仅当套接字接收到来自对端的ACK时，套接字缓冲区中的相应数据才能被丢弃

    接受缓冲区

    • 每一个TCP, UDP套接字同样有一个接受缓冲区用于保存接收到的数据，直到由应用进程来读取
    • TCP
      • 对于TCP来说，接收缓冲区的可用空间大小限定了TCP通告对端的窗口大小
      • TCP的接受缓冲区不可能溢出，因为不允许对端发送超过该窗口大小的数据，这就是TCP的流量控制
      • 如果对端无视了窗口大小而发送了超过该窗口大小的数据，这些数据将会被丢弃
    • UDP
      • 对于UDP来说，当接收到的数据报装不进套接字接受缓冲区时，该数据报就被丢弃

这两个选项用于设置发送缓冲区大小和接受缓冲区大小，应该在建立连接之前就应该设置完毕:

  • 对服务器而言，应该在listen()调用之前设置
  • 对客户机而言，应该在connect()调用之前设置
SO_REUSEADDR

总体来说，该选项的作用就是地址复用，具体有以下四个功用:

  • 允许服务器绑定某个端口，即使该端口仍然正被用做本地地址使用

    考虑以下情景:

    1. 启动服务器
    2. 连接请求到达，派生一个子进程来处理该客户
    3. 监听服务器终止，但子进程继续为现有连接上的客户提供服务
    4. 重启监听服务器

    如果在未使用SO_REUSEADDR选项的情况下，步骤4中的bind()调用将会失败，因为该端口正在被使用，启动该选项后，即可正常绑定

  • 允许在同一个端口上启动同一个服务器的多个实例

    IP别名

    将多个IP地址赋给多个物理接口的能力叫做IP别名, 第一个IP地址叫做别名(alias)或者逻辑接口, 通常别名地址和主IP地址具有相同的子网ID, 但是具有不同的主机ID

    考虑以下情景:

    1. 本地主机的主IP为198.69.10.2, 另外两个别名为198.69.10.128, 192.69.10.129
    2. 主机启动三个HTTP服务器， 第一个服务器以 **:80* 作为本地地址调用bind()
    3. 第二个服务器以198.69.10.128 : 80作为本地地址调用bind()
    4. 第三个服务器以192.69.10.129作为本地地址调用bind()

    如果在未使用SO_REUSEADDR选项的情况下, 步骤3, 4将会失败， 启动该选项之后，即可正常绑定

  • 允许单个进程绑定同一个端口到多个套接字(sockfd)之上，只要每次捆绑指定的IP地址不同即可

  • 允许完全重复的捆绑，即IP地址与端口号均相同

    该特性仅支持UDP, 不支持TCP

SO_LINGER

该选项用于控制close()的行为,

  • 默认情况下，如果套接字发送缓冲区没有数据，close()立即返回，如果有的话，系统尝试将这些数据发送给对端，然后返回

struct linger

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struct linger {
    int l_onoff;             // 开关
    int l_linger;            // 停滞时间
}

通过l_onoff字段和l_linger字段的搭配，能够实现不同的效果

  • l_onoff == 0

    关闭此选项， l_linger的值被忽略

  • l_onoff != 0 && l_linger == 0

    此时，当调用close()时，TCP将丢弃缓冲区的数据，发送一个RST给对端，而不是四分组终止序列

  • l_onoff != 0 &&l_linger != 0

    此时close()将不会立即返回，而是尝试发送缓冲区的数据，返回时机有两个

    • 所有的数据均已经被发送并且被确认
    • 从close()调用后过了l_linger时间

通过该选项加上一些技巧，可以实现一些不同的返回时机

  • close()立即返回，根本不等待： 默认情况

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  • close()拖延直到接收到ACK: l_onoff != 0 &&l_linger != 0

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  • 一直接受到对方的FIN才返回

    该方法利用了shutdown()和read()， 是一个技巧，具体做法是将close()改为shutdown(SHUT_WR), 后面跟着这样的代码

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    while(...) {
        if (read(...) == NULL)
            break;
        ...
    }

    此时的数据接受情况就会变成这样

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