TCP/IP网络编程 第九章:套接字的多种可选项

套接字的多种可选项

下列是针对SOL_SOCKET协议层的

可选项	描述
SO_REUSEADDR	允许重用本地地址和端口，即使之前的连接处于 TIME_WAIT 状态。
SO_KEEPALIVE	启用 TCP 连接的心跳检测功能，保持连接活动状态。
SO_LINGER	控制关闭连接时的行为。设置为 0 表示立即关闭连接，非零值则表示等待一段时间再关闭。
SO_RCVBUF	控制套接字接收缓冲区的大小。
SO_SNDBUF	控制套接字发送缓冲区的大小。
SO_RCVTIMEO	设置套接字接收操作的超时时间。
SO_SNDTIMEO	设置套接字发送操作的超时时间。
SO_BROADCAST	允许广播发送和接收。
SO_DEBUG	启用调试模式，在调试期间捕获套接字的调试信息。
SO_ERROR	获取套接字错误状态。
SO_REUSEPORT	允许多个套接字绑定到相同的地址和端口上。
SO_TYPE	获取套接字的类型。

下列是针对IPPROTO_TCP协议层的

可选项	描述
TCP_NODELAY	禁用 Nagle 算法，允许小数据包立即发送。
TCP_MAXSEG	设置 TCP 数据包的最大段长度（Maximum Segment Size，MSS）。
TCP_KEEPALIVE	启用 TCP 连接的心跳检测功能，保持连接活动状态。
TCP_KEEPIDLE	设置 TCP 连接的空闲时间阈值，超过阈值会发送心跳包。
TCP_KEEPINTVL	设置 TCP 心跳包的发送间隔。
TCP_KEEPCNT	设置 TCP 心跳包的发送次数，达到次数仍无响应则关闭连接。
TCP_LINGER2	控制关闭连接时的行为。设置为 0 表示立即关闭连接，非零值则表示等待一段时间再关闭。
TCP_SYNCNT	设置 TCP 发送 SYN 数据包的最大次数。

下列是针对IPPROTO_IP协议层的

可选项	描述
IP_TTL	设置 IP 头部的生存时间（Time To Live），指定数据包在网络中可以传输的最大跳数。
IP_HDRINCL	控制应用程序是否提供自定义 IP 头部。
IP_OPTIONS	设置自定义 IP 选项。
IP_RECVOPTS	允许应用程序接收来自对方发送的 IP 选项。
IP_RETOPTS	允许应用程序发送自定义的返回路径 IP 选项。
IP_PKTINFO	允许应用程序获得接收到的数据包的相关信息，如源地址、目标地址和接口索引等。
IP_RECVTOS	允许应用程序接收来自对方发送的服务类型（Type of Service）字段。
IP_RECVTTL	允许应用程序接收来自对方发送的生存时间（Time To Live）字段。
IP_MULTICAST_IF	控制多播套接字的出站接口。

也许有些人看到上述表格会产生畏惧，但现在无需全部背下来或者理解。本章只会介绍少数几种选项的设置。

getsockopt&setsockopt

可选项的设置可以依照下面两个函数完成设置

下面函数是用于读取套接字可选项

#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   //查看可选项的协议层
     optname //要查看的可选项名
     optval  //保存查看结果的缓冲地址值
     optlen  //该变量中保存通过第四个参数返回的可选信息的字节数

下面函数是用于设置可选项的函数

#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    //用于更改可选项的套接字文件描述符
      level   //用于更改可选项协议层
      optname //要更改的可选项名
      optval  //用于保存更改的可选项信息的缓冲地址值
      optlen  //传递第四个参数的字节数

具体的演示放在下一小节里面展示

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。用这两个可选项即可读取当前IO缓冲大小，可以进行更改。

下面的演示是获取具体缓冲大小

#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);
}

下面的演示是修改具体缓冲大小

#include<"声明与上一个示例相同，故省略">
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);
}

最后输出的结果可能会和我们设置的大小完全不同。因为再缓冲大小上需要谨慎处理，因此不会100%的按照我梦的请求设置缓冲大小，但也大致反映出了通过setsockopt函数设置缓冲大小。

SO_REUSEADDR

先描述一下前面章节的代码情景,让客户端先通知服务器端终止程序。在客户端控制台输入Q消息时调用close函数（参考第4章)，向服务器端发送FIN消息并经过四次握手过程。当然，输入CTRL+C时也会向服务器传递FIN消息。强制终止程序时，由操作系统关闭文件及套接字，此过程相当于调用close函数，也会向服务器端传递FIN消息。"但看不到什么特殊现象啊？"

是的，通常都是由客户端先请求断开连接，所以不会发生特别的事情。重新运行服务器端也

不成问题，但按照如下方式终止程序时则不同。

"服务器端和客户端已建立连接的状态下，向服务器端控制台输入CTRL+C，即强

制关闭服务器端。"

这主要模拟了服务器端向客户端发送FIN消息的情景。但如果以这种方式终止程序，那服务器端重新运行时将产生问题。如果用同一端口号重新运行服务器端，将输出"bind() error"消息，并且无法再次运行。但在这种情况下，再过大约3分钟即可重新运行服务器端。

上述2种运行方式唯一的区别就是谁先传输FIN消息，但结果却迥然不同，原因何在呢？

Time_wait状态

相信各位已经对四次握手有了很好的理解，现在再来描述一下上述过程。假设主机A是服务器端，因为是主机A向B发送FIN消息，故可以想象成服务器端在控制台输入CTRL+C。但问题是套接字经过四次握手过程后并非立即消除，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，相应端口是下在使用的状态。因此，就像之前验证过的，bind函数调用过程中当然会发生错误。到底为什么会有Time-wait状态呢？

假设主机A向主机B传输ACK消息后立即消除套接字。但最后这条ACK消息在传递途中丢失，未能传给主机B。这时会发生什么？主机B会认为之前自己发送的FIN消息未能抵达主机A，维而试图重传。但此时主机A已是完全终止的状态，因此主机B永远无法收到从主机A最后传来的ACK消息。相反，若主机A的套接字处在Time-wait状态，则会向主机B重传最后的ACK消息，主机B也可以正常终止。基于这些考虑，先传输FIN消息的主句应经过Time-wait过程。

地址再分配

Time-wait看似重要，但并不一定讨人喜欢。考虑一下系统发生故障从而紧急停止的情况。这时需要尽快重启服务器端以提供服务，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，而且有些情况下可能引发更大问题。

在主机A的四次握手过程中，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消息，因此重传。这时，收到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状态将持续。

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（假），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（真）。

只需要添加入如下代码即可

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

基于Windows的实现

套接字可选项及其相关内容与操作系统无关，特别是本章的可选项，因此在Windows平台和Linux平台下并无区别。接下来介绍读取和设定的两个函数。

#include <winsock2.h>
int getsockopt(SOCKET sock, int level, int optname, char * optval, int * optlen);
//成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR。
    sock    //要查看可选项的套接字句柄。
    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optval传递的缓冲大小。调用结束后，该变量中保存通过第四个参数返回的可
            //选项字节数。

可以看到，除了optval类型变成char指针外，与Linux中的getsockopt函数相比并无太大区别（Linux中是void型指针）。将Linux中的示例移植到Windows时，应做适当的类型转换。接下来给出setsockopt函数。

#include <winsock2.h>
int setsockopt(SOCKET sock, int level, int optname, const char* optval, int
optlen);
//成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR。
       sock    //要更改可选项的套接字句柄。
       level   //要更改的可选项协议层。
       optname //要更改的可选项名。
       optval  //保存要更改的可选项信息的缓冲地址值。
       optlen  //传入第四个参数optval的可选项信息的字节数。

setsockopt函数也与Linux版的毫无二致。