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級別： 中級
M. Tim Jones (mtj@mtjones.com), 資深軟件工程師, Emulex
2005 年 10 月 08 日
Socket API 是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)中實際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn) API。盡管該 API 簡單，但是開發(fā)新手可能會經(jīng)歷一些常見的問題。本文識別一些最常見的隱患并向您顯示如何避免它們。
在 4.2 BSD UNIX® 操作系統(tǒng)中首次引入，Sockets API 現(xiàn)在是任何操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)特性。事實上，很難找到一種不支持 Sockets API 的現(xiàn)代語言。該 API 相當(dāng)簡單，但新的開發(fā)人員仍然會遇到一些常見的隱患。
本文識別那些隱患并向您顯示如何避開它們。
隱患 1．忽略返回狀態(tài)
第一個隱患很明顯，但它是開發(fā)新手最容易犯的一個錯誤。如果您忽略函數(shù)的返回狀態(tài)，當(dāng)它們失敗或部分成功的時候，您也許會迷失。反過來，這可能傳播錯誤，使定位問題的源頭變得困難。
捕獲并檢查每一個返回狀態(tài)，而不是忽略它們。考慮清單 1 顯示的例子，一個套接字 send 函數(shù)。
清單 1. 忽略 API 函數(shù)返回狀態(tài)
int status, sock, mode;
/* Create a new stream (TCP) socket */
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
...
status = send( sock, buffer, buflen, MSG_DONTWAIT );
if (status == -1) {
/* send failed */
printf( "send failed: %s\n", strerror(errno) );
} else {
/* send succeeded -- or did it? */
}
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清單 1 探究一個函數(shù)片斷，它完成套接字 send 操作（通過套接字發(fā)送數(shù)據(jù)）。函數(shù)的錯誤狀態(tài)被捕獲并測試，但這個例子忽略了 send 在無阻塞模式（由 MSG_DONTWAIT 標(biāo)志啟用）下的一個特性。
send API 函數(shù)有三類可能的返回值：
- 如果數(shù)據(jù)成功地排到傳輸隊列，則返回 0。
- 如果排隊失敗，則返回 -1（通過使用
errno 變量可以了解失敗的原因）。
- 如果不是所有的字符都能夠在函數(shù)調(diào)用時排隊，則最終的返回值是發(fā)送的字符數(shù)。
由于 send 的 MSG_DONTWAIT 變量的無阻塞性質(zhì)，函數(shù)調(diào)用在發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)、一些數(shù)據(jù)或沒有發(fā)送任何數(shù)據(jù)后返回。在這里忽略返回狀態(tài)將導(dǎo)致不完全的發(fā)送和隨后的數(shù)據(jù)丟失。
隱患 2．對等套接字閉包
UNIX 有趣的一面是您幾乎可以把任何東西看成是一個文件。文件本身、目錄、管道、設(shè)備和套接字都被當(dāng)作文件。這是新穎的抽象，意味著一整套的 API 可以用在廣泛的設(shè)備類型上。
考慮 read API 函數(shù)，它從文件讀取一定數(shù)量的字節(jié)。read 函數(shù)返回讀取的字節(jié)數(shù)（最高為您指定的最大值）；或者 -1，表示錯誤；或者 0，如果已經(jīng)到達(dá)文件末尾。
如果在一個套接字上完成一個 read 操作并得到一個為 0 的返回值，這表明遠(yuǎn)程套接字端的對等層調(diào)用了 close API 方法。該指示與文件讀取相同 —— 沒有多余的數(shù)據(jù)可以通過描述符讀取（參見 清單 2）。
清單 2．適當(dāng)處理 read API 函數(shù)的返回值
int sock, status;
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
...
status = read( sock, buffer, buflen );
if (status > 0) {
/* Data read from the socket */
} else if (status == -1) {
/* Error, check errno, take action... */
} else if (status == 0) {
/* Peer closed the socket, finish the close */
close( sock );
/* Further processing... */
}
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同樣，可以用 write API 函數(shù)來探測對等套接字的閉包。在這種情況下，接收 SIGPIPE 信號，或如果該信號阻塞，write 函數(shù)將返回 -1 并設(shè)置 errno 為 EPIPE。
隱患 3．地址使用錯誤（EADDRINUSE）
您可以使用 bind API 函數(shù)來綁定一個地址（一個接口和一個端口）到一個套接字端點。可以在服務(wù)器設(shè)置中使用這個函數(shù)，以便限制可能有連接到來的接口。也可以在客戶端設(shè)置中使用這個函數(shù)，以便限制應(yīng)當(dāng)供出去的連接所使用的接口。bind 最常見的用法是關(guān)聯(lián)端口號和服務(wù)器，并使用通配符地址（INADDR_ANY），它允許任何接口為到來的連接所使用。
bind 普遍遭遇的問題是試圖綁定一個已經(jīng)在使用的端口。該陷阱是也許沒有活動的套接字存在，但仍然禁止綁定端口（bind 返回 EADDRINUSE），它由 TCP 套接字狀態(tài) TIME_WAIT 引起。該狀態(tài)在套接字關(guān)閉后約保留 2 到 4 分鐘。在 TIME_WAIT 狀態(tài)退出之后，套接字被刪除，該地址才能被重新綁定而不出問題。
等待 TIME_WAIT 結(jié)束可能是令人惱火的一件事，特別是如果您正在開發(fā)一個套接字服務(wù)器，就需要停止服務(wù)器來做一些改動，然后重啟。幸運的是，有方法可以避開 TIME_WAIT 狀態(tài)。可以給套接字應(yīng)用 SO_REUSEADDR 套接字選項，以便端口可以馬上重用。
考慮清單 3 的例子。在綁定地址之前，我以 SO_REUSEADDR 選項調(diào)用 setsockopt。為了允許地址重用，我設(shè)置整型參數(shù)（on）為 1 （不然，可以設(shè)為 0 來禁止地址重用）。
清單 3．使用 SO_REUSEADDR 套接字選項避免地址使用錯誤
int sock, ret, on;
struct sockaddr_in servaddr;
/* Create a new stream (TCP) socket */
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 ):
/* Enable address reuse */
on = 1;
ret = setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on) );
/* Allow connections to port 8080 from any available interface */
memset( &servaddr, 0, sizeof(servaddr) );
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl( INADDR_ANY );
servaddr.sin_port = htons( 45000 );
/* Bind to the address (interface/port) */
ret = bind( sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr) );
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在應(yīng)用了 SO_REUSEADDR 選項之后，bind API 函數(shù)將允許地址的立即重用。
隱患 4．發(fā)送結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)
套接字是發(fā)送無結(jié)構(gòu)二進制字節(jié)流或 ASCII 數(shù)據(jù)流（比如 HTTP 上的 HTTP 頁面，或 SMTP 上的電子郵件）的完美工具。但是如果試圖在一個套接字上發(fā)送二進制數(shù)據(jù)，事情將會變得更加復(fù)雜。
比如說，您想要發(fā)送一個整數(shù)：您可以肯定，接收者將使用同樣的方式來解釋該整數(shù)嗎？運行在同一架構(gòu)上的應(yīng)用程序可以依賴它們共同的平臺來對該類型的數(shù)據(jù)做出相同的解釋。但是，如果一個運行在高位優(yōu)先的 IBM PowerPC 上的客戶端發(fā)送一個 32 位的整數(shù)到一個低位優(yōu)先的 Intel x86，那將會發(fā)生什么呢？字節(jié)排列將引起不正確的解釋。
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字節(jié)交換還是不呢？
Endianness 是指內(nèi)存中字節(jié)的排列順序。高位優(yōu)先（big endian） 按最高有效字節(jié)在前排列，然而 低位優(yōu)先（little endian） 按照最低有效字節(jié)在前排序。
高位優(yōu)先架構(gòu)（比如 PowerPC®）比低位優(yōu)先架構(gòu)（比如 Intel® Pentium® 系列，其網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序是高位優(yōu)先）有優(yōu)勢。這意味著，對高位優(yōu)先的機器來說，在 TCP/IP 內(nèi)控制數(shù)據(jù)是自然有序的。低位優(yōu)先架構(gòu)要求字節(jié)交換 —— 對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序來說，這是一個輕微的性能弱點。
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通過套接字發(fā)送一個 C 結(jié)構(gòu)會怎么樣呢？這里，也會遇到麻煩，因為不是所有的編譯器都以相同的方式排列一個結(jié)構(gòu)的元素。結(jié)構(gòu)也可能被壓縮以便使浪費的空間最少，這進一步使結(jié)構(gòu)中的元素錯位。
幸好，有解決這個問題的方案，能夠保證兩端數(shù)據(jù)的一致解釋。過去，遠(yuǎn)程過程調(diào)用（Remote Procedure Call，RPC）套裝工具提供所謂的外部數(shù)據(jù)表示（External Data Representation，XDR）。XDR 為數(shù)據(jù)定義一個標(biāo)準(zhǔn)的表示來支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序通信的開發(fā)。
現(xiàn)在，有兩個新的協(xié)議提供相似的功能。可擴展標(biāo)記語言/遠(yuǎn)程過程調(diào)用（XML/RPC）以 XML 格式安排 HTTP 上的過程調(diào)用。數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)用 XML 進行編碼并作為字符串傳輸，并通過主機架構(gòu)把值和它們的物理表示分開。SOAP 跟隨 XML-RPC，以更好的特性和功能擴展了它的思想。參見 參考資料 小節(jié)，獲取更多關(guān)于每個協(xié)議的信息。
隱患 5．TCP 中的幀同步假定
TCP 不提供幀同步，這使得它對于面向字節(jié)流的協(xié)議是完美的。這是 TCP 與 UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）的一個重要區(qū)別。UDP 是面向消息的協(xié)議，它保留發(fā)送者和接收者之間的消息邊界。TCP 是一個面向流的協(xié)議，它假定正在通信的數(shù)據(jù)是無結(jié)構(gòu)的，如圖 1 所示。
圖 1．UDP 的幀同步能力和缺乏幀同步的 TCP
圖 1 的上部說明一個 UDP 客戶端和服務(wù)器。左邊的對等層完成兩個套接字的寫操作，每個 100 字節(jié)。協(xié)議棧的 UDP 層追蹤寫的數(shù)量，并確保當(dāng)右邊的接收者通過套接字獲取數(shù)據(jù)時，它以同樣數(shù)量的字節(jié)到達(dá)。換句話說，為讀者保留了寫者提供的消息邊界。
現(xiàn)在，看圖 1 的底部．它為 TCP 層演示了相同粒度的寫操作。兩個獨立的寫操作（每個 100 字節(jié)）寫入流套接字。但在本例中，流套接字的讀者得到的是 200 字節(jié)。協(xié)議棧的 TCP 層聚合了兩次寫操作。這種聚合可以發(fā)生在 TCP/IP 協(xié)議棧的發(fā)送者或接收者中任何一方。重要的是，要注意到聚合也許不會發(fā)生 —— TCP 只保證數(shù)據(jù)的有序發(fā)送。
對大多數(shù)開發(fā)人員來說，該陷阱會引起困惑。您想要獲得 TCP 的可靠性和 UDP 的幀同步。除非改用其他的傳輸協(xié)議，比如流傳輸控制協(xié)議（STCP），否則就要求應(yīng)用層開發(fā)人員來實現(xiàn)緩沖和分段功能。
調(diào)試套接字應(yīng)用程序的工具
GNU/Linux 提供幾個工具，它們可以幫助您發(fā)現(xiàn)套接字應(yīng)用程序中的一些問題。此外，使用這些工具還有教育意義，而且能夠幫助解釋應(yīng)用程序和 TCP/IP 協(xié)議棧的行為。在這里，您將看到對幾個工具的概述。查閱下面的 參考資料 了解更多的信息。
查看網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的細(xì)節(jié)
netstat 工具提供查看 GNU/Linux 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的能力。使用 netstat，可以查看當(dāng)前活動的連接（按單個協(xié)議進行查看），查看特定狀態(tài)的連接（比如處于監(jiān)聽狀態(tài)的服務(wù)器套接字）和許多其他的信息。清單 4 顯示了 netstat 提供的一些選項和它們啟用的特性。
清單 4．netstat 實用程序的用法模式
View all TCP sockets currently active
$ netstat --tcp
View all UDP sockets
$ netstat --udp
View all TCP sockets in the listening state
$ netstat --listening
View the multicast group membership information
$ netstat --groups
Display the list of masqueraded connections
$ netstat --masquerade
View statistics for each protocol
$ netstat --statistics
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盡管存在許多其他的實用程序，但 netstat 的功能很全面，它覆蓋了 route、ifconfig 和其他標(biāo)準(zhǔn) GNU/Linux 工具的功能。
監(jiān)視流量
可以使用 GNU/Linux 的幾個工具來檢查網(wǎng)絡(luò)上的低層流量。tcpdump 工具是一個比較老的工具，它從網(wǎng)上“嗅探”網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，打印到 stdout 或記錄在一個文件中。該功能允許查看應(yīng)用程序產(chǎn)生的流量和 TCP 生成的低層流控制機制。一個叫做 tcpflow 的新工具與 tcpdump 相輔相成，它提供協(xié)議流分析和適當(dāng)?shù)刂貥?gòu)數(shù)據(jù)流的方法，而不管數(shù)據(jù)包的順序或重發(fā)。清單 5 顯示 tcpdump 的兩個用法模式。
清單 5．tcpdump 工具的用法模式
Display all traffic on the eth0 interface for the local host
$ tcpdump -l -i eth0
Show all traffic on the network coming from or going to host plato
$ tcpdump host plato
Show all HTTP traffic for host camus
$ tcpdump host camus and (port http)
View traffic coming from or going to TCP port 45000 on the local host
$ tcpdump tcp port 45000
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tcpdump 和 tcpflow 工具有大量的選項，包括創(chuàng)建復(fù)雜過濾表達(dá)式的能力。查閱下面的 參考資料 獲取更多關(guān)于這些工具的信息。
tcpdump 和 tcpflow 都是基于文本的命令行工具。如果您更喜歡圖形用戶界面（GUI），有一個開放源碼工具 Ethereal 也許適合您的需要。Ethereal 是一個專業(yè)的協(xié)議分析軟件，它可以幫助調(diào)試應(yīng)用層協(xié)議。它的插入式架構(gòu)（plug-in architecture）可以分解協(xié)議，比如 HTTP 和您能想到的任何協(xié)議（寫本文的時候共有 637 個協(xié)議）。
總結(jié)
套接字編程是容易而有趣的，但是您要避免引入錯誤或至少使它們?nèi)菀妆话l(fā)現(xiàn)，這就需要考慮本文中描述的這 5 個常見的陷阱，并且采用標(biāo)準(zhǔn)的防錯性程序設(shè)計實踐。GNU/Linux 工具和實用程序還可以幫助發(fā)現(xiàn)一些程序中的小問題。記住：在查看實用程序的幫助手冊時候，跟蹤相關(guān)的或“請參見”工具。您也許會發(fā)現(xiàn)一個必要的新工具。
參考資料
學(xué)習(xí)
獲得產(chǎn)品和技術(shù)
討論
關(guān)于作者
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Tim Jones 是一名嵌入式軟件工程師，他是 GNU/Linux Application Programming、AI Application Programming 以及 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 等書的作者。他的工程背景非常廣泛，從同步宇宙飛船的內(nèi)核開發(fā)到嵌入式架構(gòu)設(shè)計，再到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)。Tim 是 Emulex Corp. 的一名資深軟件工程師。
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