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title: Socket
tags: hpcai
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# Socket Programming
[TOC]

## Linux Kernel is implement in three layers
1. the socket interface
2. Protocol drivers
3. Network device drivers
* 在真正談socket programming之前，我們要先初步的了解socket
* 第一部分the socket interface負責的工作就是在**接受訊息**並且**傳遞訊息**到正確的protocol drivers
* 第二部分Protocol drivers主要做的事就是**處理封包**並決定此封包要送到哪個device
* 第三部分Network device drivers是去真的**聯絡**要處理這件事情的**硬體**

## 寫Socket常用的指令
* socket()/ bind()/ accept()/ listen()
* 第一個socket()目的就是創建一個socket
* 後面的bind()/accept()/listen()主要是用來設定這個socket
* select()/ poll()/ epoll()
* waiting for event 我的理解是：如果要對event做事情的時候我們就需要拿著這個event
* send()/ recv()
* TCP
* 如果你的socket要用TCP就要用這兩個
* sendto()/ recvform()
* UDP
* 如果你的socket要用UDP就要用這兩個
* close()/ shutdown()
* 當資料指令傳遞完成後就要把剛開始建立的socket關掉

## TCP socket (connection)
* 左邊是Server方，右邊是Client(我們比較像是這一方)
* Server方，首先先建立一個socket然後用bind()/listen()去設定這個創建的socket
* 當我們Client要傳送一個指令給Server方時，我們也要先創建一個socket，然後因為我們是要**使用TCP的方式，因此我們必須將Server跟client的socket透過connect()和accept()連接起來**
* ==TCP和UDP最大的不同就在於是否有建立這個connection==
* 建立這個connection的功用就在於當我們傳遞資料有錯誤時，這個地方回傳一些值，讓我們知道我們的資料傳遞有錯誤，並且重傳，也就是一個除錯的機制，所以我們才會說**TCP是一個有可靠性的傳遞方式**
* 再來的send()跟recv()就是發送/傳送指令的function

## UDP socket (connectionless)
* 跟上面的TCP socket比較就可以發現它少了connection，所以明顯這樣的傳遞是比較**快**的，但也因為這樣少了除錯的機制，所以它是一個**沒有可靠性**的傳遞方式

## Server's Address
* 為什麼需要找server address
* 因為我們寫TCP socket時需要將Client的socket **connect to server**
* 常見的表示方式(常見的name)
* **"www.cnn.com"**, with a service which is **"http"**
* Socket address
* socket address is basically in the format of an **IP address** and **a port number**
* **"64.236.16.20"** and **"80"**
* Get address funtion

int getaddrinfo(char *node,    //例如："www.cnn.com" 或 IP
                char *service,    //例如："http" 或 port number
                struct addrinfo *hints,
                struct addrinfo **result)

struct addrinfo{
    int        ai_flags;
    int        ai_family;    //例如： AF_INET for IPv4
    int        ai_socketype; //例如： SOCK_STREAM for TCP
    int        ai_protocol;  //例如： IPPROTO_TCP
    size_t     ai_addrlen;
    char       *ai_canonname;
    struct     sockaddr *ai_addr;    //指向sockaddr struct
    struct     addrinfo *ai_next;
}

/*Example*/
hints.ai_family = AF_UNSPEC;    //不管IPv4或IPv6
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;    //for TCP
int status = getaddrinfo("www.cnn.com", "80", &hints, &result);

* 解釋上述function
-- *node: host name or IP address
-- *service: service listed or port number
-- *hints: 看我們要轉成什麼樣子都是在這個參數調整
-- **result: 指向結果

## Client
### Client: Creating a Socket
> <font color="#2231ff">**int socket (int domain, int type, int protocol)**</font>
* Return
* Return a file descriptor
:::spoiler
#### file descriptor(補充)
* 中文翻譯：檔案描述符
* 形式上是一個非負整數，實際上是一個索引值(指向一個檔案的一種抽象概念)
* 缺點：
* 在非UNIX/Linux作業系統上無法基於這一概念進行編程(在windows下的檔案描述符記作HANDLE)
* 因為檔案描述符在形式上不過是個整數，因此當代碼量增大時，容易和資料搞混
:::
* Arguments
* domain: family
* PE_INET for IPv4
* PE_INET6 for IPv6
* type: 要如何communication
* SOCK_STREAM for TCP
* SOCK_DGRAM for UDP
* protocol: 特定的協約
* 不特定我們用"UNSPEC"
* PF_INET跟SOCK_STREAM已經指向TCP，因此我們在這裡特別放什麼（原話：PF_INET and SOCK_STREAM already implies that it is going to use TCP so we do not need to put that under the protocol.)

/*example*/    //跟上面的example有關
sockfd = socket(result->ai_family,
                result->ai_socktype,
                result->ai_protocol);

### Client: Connecting Socket to the Server
* Return
* Return 0 表示成功
* Return -1 表示錯誤
* Arguments
* sockfd: Client建立socket時回傳的file descriptor
* *server_address: server的address
* addrlen: server的address的長度

/*example*/    //跟上面的example有關
connect(sockfd, 
        result->ai_addr,
        result->ai_addrlen);

### Client: Sending Data
* Return
* Return number of bytes written (成功傳送時，返回值是傳送的資料長度)
* Return 0表示結束
* Return -1表示錯誤
* Arguments
* sockfd: Client建立socket時回傳的file descriptor
* *msg: 指向要傳送資料的buffer
* len: length of buffer
* flags: ==下次會說==，這次沒有多解釋
#### 說明
* send() is <font color="#f00">blocking</font>
* 所謂blocking就是指他是會做到完成，像是如果我們要傳1MB的資料，然後我們叫send()，那麼他就會一直傳，傳到1MB到達目的地時，才停止動作。

### Client: Receiving Data
* Return
* Return number of characters read (成功接收時，返回值是接收到的資料長度)
* Return 0表示結束
* Return -1表示錯誤
* Arguments
* sockfd: Client建立socket時回傳的file descriptor
* *buf: 指向要存放資料的buffer
* len: size of buffer
* flags同上
#### 說明
* Why we need len？
<font color="#888888">為了確保我們給的buffer夠大</font>
* recv() is <font color="#f00">blocking</font>

## Sever
### Sever: Creating a Socket
> <font color="#2231ff">**int socket (int domain, int type, int protocol)**</font>

跟client建立socket時一樣
:::spoiler
* Return
* Return a file descriptor
* Arguments
* domain: family
* PE_INET for IPv4
* PE_INET6 for IPv6
* type: 要如何communication
* SOCK_STREAM for TCP
* SOCK_DGRAM for UDP
* protocol: 特定的協約
* 不特定我們用"UNSPEC"
* PF_INET跟SOCK_STREAM已經指向TCP，因此我們在這裡特別放什麼（原話：PF_INET and SOCK_STREAM already implies that it is going to use TCP so we do not need to put that under the protocol.)
:::

### Server: Bind Socket
Bind socket to the **local address and port number**
* Return
* Return 0表示成功
* Argements
* sockfd: Server建立socket時回傳的file descriptor
* *my_addr: 主機的IP address 和 port number
* addrlen: address's length

### Server: Allowing Client to Wait
將Server的socket設定為**可以接受建立連線**
> <font color="#2231ff">**int listen (int sockfd, int backlog)**</font>
* Return
* Return 0 表示成功
* Return -1 表示錯誤
* Arguments
* sockfd: Server建立socket時回傳的file descriptor
* backlog: 還未完成連線請求的最大數量(acceptable backlog)
#### 說明
* listen()並未開始接收連線，只是設置socket為listen模式，真正接收client端連線的是accept()。
* listen() is <font color="#F00">non-blocking</font>
:::spoiler
### blocking v.s non-blocking
用read()來說，如果我們使用**blocking read**，那麼讀取資料時就會因為另一端尚未寫入資料而**停止動作**
相反的，如果我們使用**non-blocking read**，那麼我們呼叫read()讀取時就會**立即返回**，但實際上我們不一定有讀到資料
:::

### Sever: Accepting Client Connection
* Return
* a file descriptor of socket for this new connection(回傳一個新的file descriptor)
* Arguments
* sockfd: Server建立socket時回傳的file descriptor
* *addr: 要連接的Client的address and port
* *addrlen: Client address's length
#### 說明
* accept() is <font color="#f00">blocking</font>

## Client and Server: Cleaning House
> <font color="#2231ff">**int close (int sockfd)**</font>
* Return 0 表示成功
* Argument - sockfd: 要關掉的socket的file descriptor

## Reference
關鍵字可搜索：socket + 想要知道的function名稱
- [socket + send()/recv()](https://www.itread01.com/content/1549576655.html) (這個每個function都有講到但是翻譯比較大陸)
- [socket + listen()](http://stenlyho.blogspot.com/2008/08/socket-listen.html)
- [當send被block的時候](http://neokentblog.blogspot.com/2016/10/send-block.html)
- [更詳細的socket.send](https://docs.microsoft.com/zh-tw/dotnet/api/system.net.sockets.socket.send?view=net-5.0)
- [getaddrinfo()](https://beej-zhtw-gitbook.netdpi.net/system_call_huo_bust/getaddrinfoff0d_zhun_bei_kai_shi_ff01)