Unix socket

1. 清華大學 工業工程與工程管理學系
王子洋

3. A server process and one or more client
processes.
Server manages some resources.
Server provides services by manipulating
resource for clients.

5. Two common paradigms for clients and servers
communication
• Datagrams (UDP protocol, SOCK_DGRAM)
• Connections (TCP protocol, SOCK_STREAM)
Connections are point-to-point, full-duplex (2-
way communication), and reliable (only for TCP).

7. CLIENT SERVER
Client programs
• Web browsers, ftp, telnet,
ssh
How does a client find the
server?
• IP address
• Port
Servers are long-running
processes
Each server waits for
requests to arrive on a well-
known port associated with
a particular service.

9. Concurrency is a property of systems in
which several computations are executing
simultaneously, and potentially interacting
with each other.
• Single host, multiple processes
• Single process, multiple threads

10. 大多數的伺服程式都是動態運作的，一收到新
要求就相對建立一個新的 thread。
• Parent_P: 一為接受要求與建立新的 thread 的程式碼
• Child_P: 另一為處理個別要求的程式碼
當 concurrent 伺服程式開始執行時，只有第一
部分會被執行。也就是說伺服程式的Parent_P:
是用來等待新的請求。當要求到達時，
Parent_P:會建立一個新的Child_P來處理此要
求。此Child_P處理完要求後，即可終止。但
Parent_P仍將一直維持伺服程式在執行的狀態，
繼續等待下一個新的要求。

11. Socket API 原本是 BSD UNIX 作業系統的
一部份。當初是由美國政府出資，由
Berkley Univ. 所負責研發新版 UNIX 中，用
在 TCP/IP 網際網路通訊協定。它是提供應
用程式使用網路通訊的一組程序
(procedure)。

12. UNIX domain socket
• Local IPC
• AF_LOCAL or AF_UNIX
• Filesystem: path name
Internet domain socket
• Internet communications
• IPv4: AF_INET
• IPv6: AF_INET6
• Internet address: IP + Port

13. UNIX 將 socket 與其 I/O 的概念相結合，讓
應用程式間的通訊就像在讀寫檔案一般容易。
在應用程式使用通訊協定做通訊時，需先要
求作業系統產生(open)一個 socket，系統將
回傳一 descriptor(sockfd)來代表此 socket。
在後續處理時皆須利用此指標。

15. Internet-specific socket address (IPv4):
<netinet/in.h> (Posix.1g)
• Must cast (sockaddr_in *) to (sockaddr *) for
connect(), bind(), and accept().

16. Generic socket address: <sys/socket.h>
• For address arguments to connect(), bind(), and
accept().

17. Internet-specific socket address (IPv6):
<netinet/in.h> (Posix.1g)

25. int gethostname(char *name, int namelen)
客戶或伺服程式可以呼叫 gethostname 取
得本機的位址資訊

26. #include <sys/socket.h>
int socket (int family, int type, int protocol);
• returns: nonnegative integer descriptor if OK, -1 on
error
socket：用來建立一個 socket，回傳一整數的
descriptor (sockfd) family: protocol family
type: communication type
• protocol: 指定此 socket 所使用的傳輸通訊協定。
Specifying a protocol of 0 causes socket() to use an
unspecified default protocol appropriate for the
requested socket type (e.g., TCP/IP).

28. #include <sys/socket.h>
int connect (int sockfd, const struct sockaddr
*servaddr, socklen_t addrlen);
• returns: 0 of OK, -1 on error
connect：client程式利用 connect 與指定的server
程式建立連線。
• sockfd: 為用來連線的客戶端之 socket descriptor
• *servaddr: 為一指向記錄Server IP和Port之 sockaddr 資料
結構的位址
• addrlen: 為 sockaddr 資料結構的長度

29. #include <sys/socket.h>
int bind (int sockfd, const struct sockaddr *myaddr,
socklen_t addrlen);
• returns: 0 if OK, -1 on error
bind：當 socket 建置時，並未宣告本機地址和遠
端主機的位址。伺服程式需用 bind 程序來將
socket與本機上的一個 port 相關聯，之後 server
就可以在該port 監聽服務請求。
• sockfd: 參數值為已建置但未指定 port number 的 descriptor
• *myaddr: 為在名本機位址的資料結構之起始位置
• addrlen: 為本機位址的資料結構之長度

30. #include <sys/socket.h>
int listen (int sockfd, int backlog);
• returns: 0 if OK,-1 on error
listen：當伺服程式宣告其通訊協定 port
number 後 (ex: bind)，可要求 OS 將此 socket
設為被動的等待 client 來聯繫的模式。
• sockfd: 參數值為已建置且已指定 port number 的
descriptor
• backlog: 指定此 socket 的服務請求佇列 (request
queue) 的最大值

31. #include <sys/socket.h>
int accept (int sockfd, struct sockaddr *cliaddr,
socklen_t *addrlen);
• returns: nonnegative descriptor if OK, -1 on error
sockfd: listening socket accept returns:
connected socket (new socket)
cliaddr, addrlen: value-result arguments
• cliaddr: 為 sockaddr 資料結構的起始位置
• addrlen: 為位址的長度

32. #include <unistd.h>
pid_t fork (void);
• returns: 0 in child, process ID of child in parent, -1 on
error (called-once-return-twice)
A child has only one parent process. It can use
getppid() to get parent’s PID.
If a parent want to get a child’s PID, it has to
record the return value of fork().

33. 新的 process/thread (child) 被建立時，應
從產生它的 parent 身上繼承一份所有已開
啟的 socket。
Socket 使用 reference count 機制，當一個
socket 被建立時，系統就把 socket 的
reference count 設為 1，當這個 reference
count 大於零的時候，socket都會存在。
• 當程式產生新的 process/thread 時，會把 parent 和
child process 的 reference count 都加 1。

34. Status of client-server before call to accept
returns

35. Status of client-server after return from
accept

36. Status of client-server after fork returns

37. Status of client-server after parent and
child close appropriate sockets

38. 當某一 process/thread 呼叫 socket 的
close 程序時，系統將其 reference count
值減一，並且從 thread 清單去除。
若 thread 在關閉 socket 前結束，系統會把
thread 開啟的所有 socket，執行 close 程
序。

39. #include <unistd.h>
int close (int sockfd);
• returns: 0 if OK, -1 on error;
close：告知系統結束使用 socket
• socket 參數為欲關閉 socket 的 descriptor
• 若此 socket 是 connection-oriented 的傳輸通訊協
定，close 在關掉 socket 之前會先結束網路的連線。
• socket 關閉後立即停止使用，並將系統資源釋放掉，
避免應用程式送出或收到更多的資料。

40. send：客戶和伺服程式都需要發送資訊。
若 socket 已連線成功，可用 send 程序來
發送資料。
send (socket, *data, length, flags)
• data 為指向要發送資料的起始位址
• length 為所發送資料的總長度
• flags 為發送資料的型別，flags參數值可能為 0 或
是下面三個值之一，一般設定為 0。
MSG-OOB
MSG_PEEK
MSG_DONTROUTE

41. recv：客戶和伺服程式都需要接收對方發送
的資料。應用程式能呼叫 recv 從已連線
(connected)的 socket 中接收資料。
recv (socket，*buffer，length，flags)
• buffer 指向存放接收資料的起始位址
• length 為 buffer 總長度
• flags：包含 MSG_OOB，MSG_PEEK

42. Socket 也允許應用程式使用 read/write 來
傳送/接收資料。
read 與 write 必須與connected-socket 合用。
使用 read/write 程序最大的好處是具有通用
性。
read(int fd, void *buf, size_t count);
write(int fd, const void *buf, size_t count);

43. socket 程序有許多的參數及 options，
setsockopt 設定 socket option 值，
setsockopt 為讀取 socket option 值。
gethostbyaddr 與 gethostbyname 相反，將
IP 位址轉成對映的電腦名稱。

45. Signals
• “software interrupts”
• usually occur asynchronously.
• can be sent
by one process to another process (or to itself)
by the kernel to a process.
zombie
wait() && waitpid()

47. to be notified, by kernel, if one or more I/O
conditions are ready.
Scenarios in networking applications:
• a client handling multiple descriptors (stdio/socket)
• a client handling multiple sockets
• a TCP server handling a listening socket and its
connected sockets
• a server handling both TCP and UDP
• a server handling multiple services and protocols

48. wait for data; copy data from kernel to user
blocking I/O: blocked all the way
nonblocking I/O: if no data, immediate
returns EWOULDBLOCK
I/O multiplexing (select and poll): blocked
separately in wait and copy
signal driven I/O (SIGIO): nonblocked in wait
but blocked in copy (signaled when I/O can
be initiated)
asynchronous I/O (aio_): nonblocked all the
way (signaled when I/O is complete)

50. Synchronous I/O
• The requesting process to be blocked until that I/O
operation completes.
• blocking, non-blocking, I/O multiplexing, and
signal-driven I/O
Asynchronous I/O
• Does not cause the requesting process to be
blocked.
• Asynchronous I/O

51. 可以使用select要求kernel測試某個輸入裝
置是否ready for reading
當kernel中對應此裝置的buffer中已有相當
數量(可設定)的輸入資料時,此裝置即是
ready for reading
select return後,由我們的程式自行呼叫其它
的system call將buffer中的資料搬回來(也會
block,但時間有限)。

52. 可以使用select要求kernel測試某個輸 出裝
置是否ready for writing
當kernel中對應此裝置的buffer中已有相 當
空間(可設定)可放置輸出資料時,此裝 置即
是ready for writing
select return後,由我們的程式自行呼 叫其它
的system call將欲輸出資料搬入buffer中(也
會block,但時間有限) 。

56. close()
• Depend on the reference count (=0)
• Terminate both directions
shutdown()
• Initial termination without considering reference count
• Half-close

57. I’m sleepy, google it by yourself.