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第 9 章 套接字的多种可选项

9.1 套接字可选项和 I/O 缓冲大小

我们进行套接字编程时往往只关注数据通信，而忽略了套接字具有的不同特性。但是，理解这些特性并根据实际需要进行更改也很重要

9.1.1 套接字多种可选项

我们之前写得程序都是创建好套接字之后直接使用的，此时通过默认的套接字特性进行数据通信，这里列出了一些套接字可选项。

协议层	选项名	读取	设置
SOL_SOCKET	SO_SNDBUF	O	O
SOL_SOCKET	SO_RCVBUF	O	O
SOL_SOCKET	SO_REUSEADDR	O	O
SOL_SOCKET	SO_KEEPALIVE	O	O
SOL_SOCKET	SO_BROADCAST	O	O
SOL_SOCKET	SO_DONTROUTE	O	O
SOL_SOCKET	SO_OOBINLINE	O	O
SOL_SOCKET	SO_ERROR	O	X
SOL_SOCKET	SO_TYPE	O	X
IPPROTO_IP	IP_TOS	O	O
IPPROTO_IP	IP_TTL	O	O
IPPROTO_IP	IP_MULTICAST_TTL	O	O
IPPROTO_IP	IP_MULTICAST_LOOP	O	O
IPPROTO_IP	IP_MULTICAST_IF	O	O
IPPROTO_TCP	TCP_KEEPALIVE	O	O
IPPROTO_TCP	TCP_NODELAY	O	O
IPPROTO_TCP	TCP_MAXSEG	O	O

从表中可以看出，套接字可选项是分层的。

• IPPROTO_IP 可选项是IP协议相关事项

• IPPROTO_TCP 层可选项是 TCP 协议的相关事项

• SOL_SOCKET 层是套接字的通用可选项。

9.1.2 getsockopt & setsockopt

可选项的读取和设置通过以下两个函数来完成

#include <sys/socket.h>

int getsockopt(int sock, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
sock: 用于查看选项套接字文件描述符
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地址值
optlen: 向第四个参数传递的缓冲大小。调用函数候，该变量中保存通过第四个参数返回的可选项信息的字节数。
*/

上述函数可以用来读取套接字可选项，下面的函数可以更改可选项：

#include <sys/socket.h>

int setsockopt(int sock, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
sock: 用于更改选项套接字文件描述符
level: 要更改的可选项协议层
optname: 要更改的可选项名
optval: 保存更改结果的缓冲地址值
optlen: 向第四个参数传递的缓冲大小。调用函数后，该变量中保存通过第四个参数返回的可选项信息的字节数。
*/

下面的代码可以看出 getsockopt 的使用方法。下面示例用协议层为 SOL_SOCKET 、名为 SO_TYPE 的可选项查看套接字类型(TCP 和 UDP)

#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);
    udp_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    printf("SOCK_STREAM: %d \n", SOCK_STREAM);
    printf("SOCK_DGRAM: %d \n", SOCK_DGRAM);

    state = getsockopt(tcp_sock, SOL_SOCKET, SO_TYPE, (void*)&sock_type, &optlen);
    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);
}

编译运行：

首先创建了一个 TCP 套接字和一个 UDP 套接字。然后通过调用 getsockopt 函数来获得当前套接字的状态。

用于验证套接类型的 SO_TYPE 是只读可选项，因为套接字类型只能在创建时决定，以后不能再更改。

9.1.3 SO_SNDBUF & SO_RCVBUF

创建套接字的同时会生成 I/O 缓冲。关于 I/O 缓冲，可以去看第五章。

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 2 个可选项既可以读取当前 I/O 大小，也可以进行更改。通过下列示例读取创建套接字时默认的 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("Output buffer size: %d \n", snd_buf);
    return 0;
}

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

编译运行：

输出结果和我们预想的不是很相同，缓冲大小的设置需谨慎处理，因此不会完全按照我们的要求进行

9.2 SO_REUSEADDR

9.2.1 发生地址分配错误（Binding Error）

在客户端控制台输入 Q 可以结束程序，向服务器发送 FIN 消息并经过四次握手过程。当然，输入 CTRL+C 也会向服务器传递 FIN 信息。强制终止程序时，由操作系统关闭文件套接字，此过程相当于调用 close 函数，也会向服务器发送 FIN 消息。

这样看不到是什么特殊现象，考虑以下情况：

服务器端和客户端都已经建立连接的状态下，向服务器控制台输入 CTRL+C ，强制关闭服务端

如果用这种方式终止程序，如果用同一端口号再次运行服务端，就会输出「bind() error」消息，并且无法再次运行。但是在这种情况下，再过大约 3 分钟就可以重新运行服务端。

9.2.2 Time-wait 状态

观察以下过程：

假设图中主机 A 是服务器，因为是主机 A 向 B 发送 FIN 消息，故可想象成服务器端在控制台中输入 CTRL+C 。但是问题是，套接字经过四次握手后并没有立即消除，而是要经过一段时间的 Time-wait 状态。当然，只有先断开连接的（先发送 FIN 消息的）主机才经过 Time-wait 状态。因此，若服务器端先断开连接，则无法立即重新运行。套接字处在 Time-wait 过程时，相应端口是正在使用的状态。因此，就像之前验证过的，bind 函数调用过程中会发生错误。

那到底为什么会有 Time-wait 状态呢?

在图中假设，主机 A 向主机 B 传输 ACK 消息（SEQ 5001 , ACK 7502 ）后立刻消除套接字。但是最后这条 ACK 消息在传递过程中丢失，没有传递主机 B ，这时主机 B 就会试图重传。但是此时主机 A 已经是完全终止状态，因此主机 B 永远无法收到从主机 A 最后传来的 ACK 消息。基于这些问题的考虑，所以要设计 Time-wait 状态。

9.2.3 地址再分配

Time-wait 状态看似重要，但是不一定讨人喜欢。如果系统发生故障紧急停止，这时需要尽快重启服务起以提供服务，但因处于 Time-wait 状态而必须等待几分钟。
因此，Time-wait 并非只有优点，这些情况下容易引发大问题。下图中展示了四次握手时不得不延长 Time-wait 过程的情况。

从图上可以看出，在主机 A 四次握手的过程中，如果最后的数据丢失，则主机 B 会认为主机 A 未能收到自己发送的 FIN 信息，因此重传。这时，收到的 FIN 消息的主机 A 将重启 Time-wait 计时器。因此，如果网络状况不理想， Time-wait 将持续。

解决方案就是在套接字的可选项中更改 SO_REUSEADDR 的状态。适当调整该参数，可将 Time-wait 状态下的套接字端口号重新分配给新的套接字。SO_REUSEADDR 的默认值为 0.这就意味着无法分配 Time-wait 状态下的套接字端口号。因此需要将这个值改成 1 。具体作法:

optlen = sizeof(option);
option = TRUE;
setsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (void *)&option, optlen);

此时，已经解决了上述问题。

9.3 TCP_NODELAY

9.3.1 Nagle 算法

为了防止因数据包过多而发生网络过载，Nagle 算法诞生了。它应用于 TCP 层。它是否使用会导致如图所示的差异：

为了防止因数据包过多而发生网络过载，Nagle 算法诞生了。它应用于 TCP 层。它是否使用会导致如图所示的差异：

图中展示了通过 Nagle 算法发送字符串 Nagle 和未使用 Nagle 算法的差别。可以得到一个结论。

只有接收到前一数据的 ACK 消息， Nagle 算法才发送下一数据。

TCP 套接字默认使用 Nagle 算法交换数据，因此最大限度的进行缓冲，直到收到 ACK 。左图也就是说一共传递 4 个数据包以传输一个字符串。从右图可以看出，发送数据包一共使用了 10 个数据包。由此可知，不使用 Nagle 算法将对网络流量产生负面影响。即使只传输一个字节的数据，其头信息都可能是几十个字节。因此，为了提高网络传输效率，必须使用 Nagle 算法。

Nagle 算法并不是什么情况下都适用，网络流量未受太大影响时，不使用 Nagle 算法要比使用它时传输速度快。最典型的就是「传输大文数据」。将文件数据传入输出缓冲不会花太多时间，因此，不使用 Nagle 算法，也会在装满输出缓冲时传输数据包。这不仅不会增加数据包的数量，反而在无需等待 ACK 的前提下连续传输，因此可以大大提高传输速度。

所以，未准确判断数据性质时不应禁用 Nagle 算法。

9.3.2 禁用 Nagle 算法

禁用 Nagle 算法应该使用：

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

通过 TCP_NODELAY 的值来查看Nagle 算法的设置状态。

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

如果正在使用Nagle 算法，那么 opt_val 值为 0，如果禁用则为 1.