第9章 套接字的多种可选项

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9.1 套接字可选项和I/O缓冲大小

1.套接字多种可选项

之前的程序都是创建好套接字直接使用，此时通过套接字的默认特性进行数据通信。之前示例简单，无需特别操作套接字特性，但有时确实需要更改。

多种可选项

  • 套接字选项分层
  • IPPROTO_IP层是IP相关协议事项
  • IPPROTO_TCP层是TCP协议相关事项
  • SOL_SOCKET层是套接字相关通用可选项

只介绍一些重要可选项和更该方法

2.getsockopt & setsockopt

可以对表中几乎所有可选项进行读取（GET）和设置（SET） 读取可选项信息

#include<sys/socket.h>
int getsockopt(int sock,int level,int optname,void *optval,socklen_t *optlen);

成功返回0，失败返回-1
sock        要查看的套接字文件描述符
level       要查看的可选项协议层
optname     要查看的可选项名
optval      保存查看结果的缓冲的地址值
optlen      调用前向optval传递缓冲大小，调用后保存查看结果（可选项信息）的字节数

设置可选项信息

#include<sys/socket.h>
int setsockopt(int sock,int level,int optname,const void *optval,socklen_t *optlen);

成功返回0，失败返回-1
sock        要更改的套接字文件描述符
level       要更改的可选项协议层
optname     要更改的可选项名
optval      保存可选项更改信息的缓冲的地址值
optlen      保存可选项更改信息的字节数传递给optval

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[]) 
{
	int tcp_sock, udp_sock;
	int sock_type;
	socklen_t optlen;
	int state;
	
	optlen=sizeof(sock_type);
	tcp_sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);//生成TCP套接字
	udp_sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);//生成UDP套接字
	printf("SOCK_STREAM: %d \n", SOCK_STREAM);//获取代表此套接字的常数值
	printf("SOCK_DGRAM: %d \n", SOCK_DGRAM);
	
	state=getsockopt(tcp_sock, SOL_SOCKET, SO_TYPE, (void*)&sock_type, &optlen);//这个函数可以获取我们未知套接字类型信息
	if(state)
		error_handling("getsockopt() error!");
	printf("Socket type one: %d \n", sock_type);
	
	state=getsockopt(udp_sock, SOL_SOCKET, SO_TYPE, (void*)&sock_type, &optlen);
	if(state)
		error_handling("getsockopt() error!");
	printf("Socket type two: %d \n", sock_type);
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

3.SO_SNDBUF & SO_RCVBUF

  • SO_RCVBUF是输入缓冲大小相关可选项
  • SO_SNDBUF是输出缓冲大小相关可选项 用这两个可选项既可以读取I/O缓冲大小，又可以更改。 获取I/O缓冲大小
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	int sock;  
	int snd_buf, rcv_buf, state;
	socklen_t len;
	
	sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);	
	len=sizeof(snd_buf);
	state=getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (void*)&snd_buf, &len);
	if(state)
		error_handling("getsockopt() error");
	
	len=sizeof(rcv_buf);
	state=getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (void*)&rcv_buf, &len);
	if(state)
		error_handling("getsockopt() error");
	
	printf("Input buffer size: %d \n", rcv_buf);
	printf("Outupt buffer size: %d \n", snd_buf);
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

设置I/O缓冲大小

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	int sock;
	int snd_buf=1024*3, rcv_buf=1024*3;
	int state;
	socklen_t len;
	
	sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	state=setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (void*)&rcv_buf, sizeof(rcv_buf));
	if(state)
		error_handling("setsockopt() error!");
	
	state=setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (void*)&snd_buf, sizeof(snd_buf));
	if(state)
		error_handling("setsockopt() error!");
	
	len=sizeof(snd_buf);
	state=getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (void*)&snd_buf, &len);
	if(state)
		error_handling("getsockopt() error!");
	
	len=sizeof(rcv_buf);
	state=getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (void*)&rcv_buf, &len);
	if(state)
		error_handling("getsockopt() error!");
	
	printf("Input buffer size: %d \n", rcv_buf);
	printf("Output buffer size: %d \n", snd_buf);
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

运行可发现输出结果和设置的并不相同。我们只是通过setsockopt函数向系统传递我们想要的需求，并不是强制系统更改，毕竟用户可能会有非法操作，假设缓冲区设置为0，肯定会出问题吧。

9.2 SO_REUSEADDR（和Time——wait有关）

1.发生地址分配错误

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define TRUE 1
#define FALSE 0
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	int serv_sock, clnt_sock;
	char message[30];
	int option, str_len;
	socklen_t optlen, clnt_adr_sz;
	struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
	
	if(argc!=2) {
		printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}
	
	serv_sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(serv_sock==-1)
		error_handling("socket() error");
	/*
	optlen=sizeof(option);
	option=TRUE;	
	setsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &option, optlen);
	*/

	memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
	serv_adr.sin_family=AF_INET;
	serv_adr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
	serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));

	if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)))
		error_handling("bind() error ");
	
	if(listen(serv_sock, 5)==-1)
		error_handling("listen error");
	clnt_adr_sz=sizeof(clnt_adr);    
	clnt_sock=accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr,&clnt_adr_sz);

	while((str_len=read(clnt_sock,message, sizeof(message)))!= 0)
	{
		write(clnt_sock, message, str_len);
		write(1, message, str_len);
	}
	close(clnt_sock);
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

以上是回声服务端，客户端输入Q或者CTRL+C可以终止程序。 对客户端来说，当客户端输入Q，调用close函数会向服务端传递FIN消息，并四次握手。CTRL+C也会向服务端传递FIN消息。强制终止程序，操作系统关闭套接字，此过程相当于调用close，也会向服务端传递FIN消息

一般也看不出什么特殊现象，因为一般是客户端先请求断开连接。重新运行服务器也不会出现问题。 对服务端来说，但是如果在服务端客户端建立连接情况下向服务端控制台输入CTRL+C，也就是强制关闭服务器，模拟了服务端向客户端发送FIN的情形。这种方式终止程序，如果用同一端口号重新运行服务端会出现问题——地址分配错误，再过几分钟才可以重新运行。 上面的两种方式只是谁先传输FIN的区别但是差异巨大

2.Time-wait状态

主动先发送FIN的套接字经过四次握手后并非立即清除，而是经过一段时间的Time-wait状态，因此服务端先断开连接不能立即重新运行，因为套接字处于Time-wait状态，相应的端口正在使用。所以会出现地址分配错误消息。

注

不管是服务器还是客户端，只要主动断开连接，套接字都会有Time-wait状态，
但是客户端的套接字基本是任意指定的（也就是动态分配的），无需太关注Time-wait状态。

为什么会有Time-wait状态？

假设主机A向主机B最后发送的ACK消息未能到达主机B，主机B会认为之前传输的FIN消息未能到达主机A，
所以会不断试图重传，假设没有Time-wait状态，主机A已经完全终止，永远无法发送ACK给主机B，
主机B就无法正常终止。所以主动断开连接的一方需要Time-wait状态，防止出现以上情况。

3.地址再分配

但是如果系统故障紧急停止，需要尽快重启服务器提供服务，但是因为Time-wait状态无法立即重启，可能会导致巨大问题。 假设主机A四次握手最后的消息丢失，B会认为之前的消息未被A收到，会重传，A收到后又会发送ACK，启动Time-wait计时器，如果网络质量不佳，这种状态会一直持续下去。

解决方案 在套接字可选项中更改SO_REUSEADDR的状态。调整该参数，可以将Time-wait状态下的套接字端口号重新分配给新的套接字。SO_REUSEADDR默认为0（false）代表无法分配Time-wait状态下的套接字端口号，所以要改成true。只需把前面的代码注释去掉。

9.3 TCP_NODELAY

1.Nagle算法

TCP默认使用Nagle算法，假设发送“Nagle”消息，N先到达输出缓冲前面没数据，立即发送，之后开始等待‘N’的ACK消息，这时剩下的字符“agle”已经填入输出缓冲。收到ACK后，将“agle”装入一个数据包发送。这时传送端和接收端一共用了4个数据包传输一个字符串。

没使用的情况下，假设字符依次到达缓冲区。此时发送过程与ACK无关，到达输出缓冲立即被发送，这时就需要10个数据包，这会对网络流量产生巨大负面影响，即使只有一个字符，其头信息也是十几个字节。所以必须使用Nagle算法。

注

在程序中，字符串传给输出缓冲并非逐字节传输，实际情况并非图中那样。
但是每隔一段时间，再把字符串的字符传输到输出缓冲，可以出现类似图中的情况。

并不是所有时候都适合Nagle算法，在网络流量未受太大影响，不使用Nagle算法要比使用的时候更快。例如“传输大文件”。将文件数据传入输出缓冲不会花费太多时间，所以不使用Nagle算法，也会在装满输出缓冲时发送数据包。这不仅不会增加数据包数量，反而在无需等待ACK的情况下连续传输，因此可以大大提高传输速度。

虽然不使用Nagle算法会提高传输速度。但是无条件放弃使用，会导致过多网络流量，反而会导致传输受阻。因此未准确判断数据特性的情况下，不应该禁用。

2.禁用Nagle算法

只需要将TCP_NODELAY设置为1（真）

int opt_val =1;
setsockopt(sock,IPPROTO_TCP,TCP_NODELAY,(void *)&opt_val,sizeof(opt_val));

可以查看设置状态

int opt_val;
socklen_t opt_len;
opt_len=sizeof(opt_val);
getsockopt(sock,IPPROTO_TCP,TCP_NODELAY,(void *)&opt_val,&opt_len);

正在使用opt_val为0；禁用的话opt_val为1

9.4基于Windows的实现

#include<winsock2.h>
int getsockopt(SOCKET sock,int level,int optname,char * optval,int * optlen);

int setsockopt(SOCKET sock,int level,int optname,char *optval,int optlen)；

成功返回0，失败返回SOCK_ERROR

参数含义相同与Linux

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