详解嵌入式网络中端口的使用细节

科技 2024-11-29 12:05 北京

一、1个端口号可以同时被两个进程绑定吗？

根据端口号的绑定我们分以下几种情况来讨论：

2个进程分别建立TCP server，使用同一个端口号8888
2个进程分别建立UDP server，使用同一个端口号8888
2个进程1个建立TCP server、1个建立UDP server，都使用端口号8888

1、测试代码

首先，我们编写两个简单的测试程序。

tcp.c

该程序仅仅创建tcp套接字并绑定端口号8888，没有accept建立连接操作，并且sleep(1000)，让进程不要太快退出。

/*******服务器程序  TCPServer.c ************/
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <pthread.h>

#define WAITBUF 10
#define RECVBUFSIZE 1024


int main(int argc, char *argv[])
{
 int sockfd,new_fd,nbytes;
 struct sockaddr_in server_addr;
 struct sockaddr_in client_addr;
 int portnumber = 8888;
 socklen_t sin_size;
 char hello[512];
 char buffer[RECVBUFSIZE];

 /*端口号不对，退出*/

 /*服务器端开始建立socket描述符*/
 if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)  
 {
  fprintf(stderr,"Socket error:%s\n\a",strerror(errno));
  exit(1);
 }

 /*服务器端填充 sockaddr结构*/ 
 bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
 server_addr.sin_family=AF_INET;
 /*自动填充主机IP*/
 server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
 server_addr.sin_port=htons(portnumber);

 /*捆绑sockfd描述符   进程+端口号+ip+socket*/ 
 if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1)
 {
  fprintf(stderr,"Bind error:%s\n\a",strerror(errno));
  exit(1);
 }

 /*监听sockfd描述符*/
 if(listen(sockfd, WAITBUF)==-1)
 {
  fprintf(stderr,"Listen error:%s\n\a",strerror(errno));
  exit(1);
 }

 sleep(1000);//让程序不要这么快的退出
 close(sockfd);
 exit(0);
}

udp.c

该程序仅仅创建udp套接字并绑定端口号8888，没有accept建立连接操作，并且sleep(1000)，让进程不要太快退出。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_PORT 8888 
#define MAX_MSG_SIZE 1024 


int main(void) 
{ 
 int sockfd; 
 struct sockaddr_in addr; 

 /* 服务器端开始建立socket描述符 */ 
 sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); 
 if(sockfd<0) 
 { 
  fprintf(stderr,"Socket Error:%s\n",strerror(errno)); 
  exit(1); 
 } 

 /* 服务器端填充 sockaddr结构 */ 
 bzero(&addr,sizeof(struct sockaddr_in)); 
 addr.sin_family=AF_INET; 
 addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); 
 addr.sin_port=htons(SERVER_PORT); 

 /* 捆绑sockfd描述符 */ 
 if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr_in))<0) 
 { 
  fprintf(stderr,"Bind Error:%s\n",strerror(errno)); 
  exit(1); 
 } 
 sleep(1000);
 close(sockfd); 
}

编译：

gcc tcp.c -o tcp
gcc udp.c -o udp

2、执行结果

（1）2个进程分别建立TCP server

从结果可知，第二个进程绑定端口号8888绑定失败。

（2）2个进程分别建立UDP server

从结果可知，第二个进程绑定端口号8888绑定失败。

（3）1个建立TCP server、1个建立UDP server

用netstat命令查看信息。

从结果可知，该种情形，两个进程分别绑定成功。

3、结果分析

由上述结果可知：TCP、UDP可以同时绑定一个端口8888，但是一个端口在同一时刻不可以被TCP或者UDP绑定2次。原因如下：

tcp的端口不是物理概念，仅仅是协议栈中的两个字节；
TCP和UDP的端口完全没有任何关系，完全有可能又有一种XXP基于IP，也有端口的概念，这是完全可能的；
TCP和UDP传输协议监听同一个端口后，接收数据互不影响，不冲突。因为数据接收时时根据五元组**{传输协议，源IP，目的IP，源端口，目的端口}**判断接受者的。

二、端口号的一些其他知识点

1、端口号的作用

端口号可以用来标识同一个主机上通信的不同应用程序，端口号+IP地址就可以组成一个套接字，用来标识一个进程。

2、端口号的应用场景

在TCP/IP协议中，用“源IP地址”，“目的IP地址”，“源端口号”，“目的端口号”,协议号（IP协议的协议号为4，TCP的协议号为6）这样的一个五元组来标识一个通信，通信的双方在发送消息时，消息的头部会带着这样的五元组。

3、端口范围划分

（1）0~1023：知名端口号，是留着备用的，一把都是用于协议，例如HTTP、FTP、SSH ；

（2）1024~65535：是操作系统动态分配的端口号，客户端程序的端口号，就是由操作糸统从这个范围来分配的，在TCP与UDP的套接字通信中，客户端的端口号就是在此范围中。

4、知名的端口号与端口号对应的服务器

比如：

 HTTP服务器：80 
 FTP服务器：21

ps：FTP有一个控制连接和一个数据连接，所以FTP是有两个端口号的，控制连接的端口号是21，数据连接的端口号是20，但是如果FTP的端口号默认是21，如果指明FTP有两个端口号的话，那就是21和20，否则FTP服务器的端口号就是21

 TELNET服务器：23 
 SSH服务器：22 
 HTTPS：443 
 WEB服务器：25

5、在linux中如何查看知名端口号？

cat /etc/services

6、一个进程是否可以bind多个端口号？

答案是可以的，因为一个进程可以打开多个文件描述符，而每个文件描述符都对应一个端口号，所以一个进程可以绑定多个端口号。

Linux内核会给每一个socket分配一个唯一的文件描述符，进程通过该文件描述符来区分对应的套接字。

7、一个端口号是否可以被多个进程绑定？

同种协议通常不可以，但有一种情况可以。

ps：如果进程先绑定一个端口号，然后在fork一个子进程，这样的话就可以是实现多个进程绑定一个端口号，但两个不同的进程绑定同一个端口号是不可以的。

三、SO_REUSEADDR有什么用处和怎么使用？

当两个socket的address和port相冲突，而我们又想重用地址和端口，则旧的socket和新的socket都要已经被设置了SO_REUSEADDR特性，只有两者之一有这个特性还是有问题的。

SO_REUSEADDR可以用在以下四种情况下（摘自《Unix网络编程》卷一，即UNPv1）：

当有一个有相同本地地址和端口的socket1处于TIME_WAIT状态时【4次握手】，而你启动的程序的socket2要占用该地址和端口，你的程序就要用到该选项。

一般来说，一个端口释放后会等待两分钟之后才能再被使用，SO_REUSEADDR是让端口释放后立即就可以被再次使用。

SO_REUSEADDR用于对TCP套接字处于TIME_WAIT状态下的socket，才可以重复绑定使用。server程序总是应该在调用bind()之前设置SO_REUSEADDR套接字选项。TCP，先调用close()的一方会进入TIME_WAIT状态。

4次握手顺序见下图：

SO_REUSEADDR允许同一port上启动同一服务器的多个实例(多个进程)。但每个实例绑定的IP地址是不能相同的。在有多块网卡或用IP Alias技术的机器可以测试这种情况。
SO_REUSEADDR允许单个进程绑定相同的端口到多个socket上，但每个socket绑定的ip地址不同。这和2很相似，区别请看UNPv1。

SO_REUSEADDR允许启动一个监听服务器并捆绑其众所周知端口，即使以前建立的将此端口用做他们的本地端口的连接仍存在。这通常是重启监听服务器时出现，若不设置此选项，则bind时将出错。

SO_REUSEADDR允许在同一端口上启动同一服务器的多个实例，只要每个实例捆绑一个不同的本地IP地址即可。对于TCP，我们根本不可能启动捆绑相同IP地址和相同端口号的多个服务器。

SO_REUSEADDR允许单个进程捆绑同一端口到多个套接口上，只要每个捆绑指定不同的本地IP地址即可。这一般不用于TCP服务器。

SO_REUSEADDR允许完全相同的地址和端口的重复绑定，但这只用于UDP的多播，不用于TCP。

SO_REUSEADDR允许完全重复的捆绑：当一个IP地址和端口绑定到某个套接口上时，还允许此IP地址和端口捆绑到另一个套接口上。一般来说，这个特性仅在支持多播的系统上才有，而且只对UDP套接口而言（TCP不支持多播）。

SO_REUSEPORT选项有如下语义：此选项允许完全重复捆绑，但仅在想捆绑相同IP地址和端口的套接口都指定了此套接口选项才行。

如果被捆绑的IP地址是一个多播地址，则SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT等效。

使用这两个套接口选项的建议：在所有TCP服务器中，在调用bind之前设置SO_REUSEADDR套接口选项；当编写一个同一时刻在同一主机上可运行多次的多播应用程序时，设置SO_REUSEADDR选项，并将本组的多播地址作为本地IP地址捆绑。

设置方法如下：

if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,
   (const void *)&nOptval , sizeof(int)) < 0) 
   ...

附：

Q：编写 TCP/SOCK_STREAM 服务程序时，SO_REUSEADDR到底什么意思？

A：这个套接字选项通知内核，如果端口忙，但TCP状态位于 TIME_WAIT ，可以重用端口。如果端口忙，而TCP状态位于其他状态，重用端口时依旧得到一个错误信息，指明"地址已经使用中"。如果你的服务程序停止后想立即重启，而新套接字依旧使用同一端口，此时SO_REUSEADDR 选项非常有用。必须意识到，此时任何非期望数据到达，都可能导致服务程序反应混乱，不过这只是一种可能，事实上很不可能。

一个套接字由相关五元组构成，协议、本地地址、本地端口、远程地址、远程端口。SO_REUSEADDR 仅仅表示可以重用本地本地地址、本地端口，整个相关五元组还是唯一确定的。所以，重启后的服务程序有可能收到非期望数据。必须慎重使用 SO_REUSEADDR 选项。

举例说明：

例子1：测试上面第一种情况。

#include <netinet/in.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <time.h> 
#include <stdio.h> 
#include <string.h> 
#define MAXLINE 100 

int main(int argc, char** argv) 
{ 
   int listenfd,connfd; 
   struct sockaddr_in servaddr; 
   char buff[MAXLINE+1]; 
   time_t ticks; 
   unsigned short port; 
   int flag=1,len=sizeof(int); 

   port=10013; 

   if( (listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) == -1) 

   { 
     perror("socket"); 
     exit(1); 
   } 

   bzero(&servaddr,sizeof(servaddr)); 
   servaddr.sin_family=AF_INET; 
   servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); 
   servaddr.sin_port=htons(port); 

   if( setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, len) == -1) 
  { 
      perror("setsockopt"); 
      exit(1); 
   } 

   if( bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1) 
   { 
      perror("bind"); 
      exit(1); 
   } 
   else 
      printf("bind call OK!\n"); 
      
   if( listen(listenfd,5) == -1) 
   { 
      perror("listen"); 
      exit(1); 
   } 

   for(;;) 
   { 
      if( (connfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)NULL,NULL)) == -1)
      { 
          perror("accept"); 
          exit(1); 
      } 
      if( fork() == 0)/*child process*/ 
      { 
        close(listenfd);/*关闭监听套接字，子进程不需要。*/ 
        
        ticks=time(NULL); 
        snprintf(buff,100,"%.24s\r\n",ctime(&ticks)); 
        
        write(connfd,buff,strlen(buff)); 
        close(connfd); 
        
        sleep(1); 
        
        execlp("run",NULL); 
        perror("execlp"); 
        exit(1); 
     } 
     close(connfd); 
     exit(0);/* end parent*/ 
  } 
}

gcc 123.c -o run
sudo cp run /sbin
sudo chmod 777 /sbin/run

测试：编译为run程序，放到一个自己PATH环境变量里的某个路径里，例如$HOME/bin，运行run，然后telnet localhost 10013看结果。

第一步运行程序，此时程序阻塞在accept（）这个位置。

第二步重新打开一个终端，执行以下命令。

第三步：可以看到次异步运行的程序退出，并打印了bind call OK! 说明子进程被执行，并且成功绑定了端口10013，验证了第一种情况。

第二种情况我没有环境测，所以就不给测试程序了，大家有条件的可以自己写一个来测试一下。
测试第三种情况的程序读取本地ip地址。

可以得到本地地址为：

eth0 ： 192.168.43.171
lo      : 127.0.0.1

测试代码：

#include <netinet/in.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <time.h> 
#include <stdio.h> 
#include <string.h> 
#define MAXLINE 100 

int main(int argc, char** argv) 
{ 
   int fd1,fd2; 
   struct sockaddr_in servaddr1,servaddr2; 
   char buff[MAXLINE+1]; 
   time_t ticks; 
   unsigned short port; 
   int flag=1,len=sizeof(int); 

   port=10013; 

   if( (fd1=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) == -1) 
   { 
       perror("socket"); 
       exit(1); 
   } 

   if( (fd2=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) == -1) 
   { 
       perror("socket"); 
       exit(1); 
   } 

   bzero(&servaddr1,sizeof(servaddr1)); 
   bzero(&servaddr2,sizeof(servaddr2)); 
   servaddr1.sin_family=AF_INET; 
   servaddr2.sin_family=AF_INET; 

   if( inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr1.sin_addr) <= 0) 
 { 
  printf("inet_pton() call error:127.0.0.1\n"); 
  exit(1); 
 } 

 if( inet_pton(AF_INET, "192.168.43.171", &servaddr2.sin_addr) <= 0) 
 { 
  printf("inet_pton() call error:128.160.1.230\n"); 
  exit(1); 
 } 

 servaddr1.sin_port=htons(port); 
 servaddr2.sin_port=htons(port); 
 
 if( setsockopt(fd1, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, len) == -1) 
 { 
  perror("setsockopt"); 
  exit(1); 
 } 

 if( setsockopt(fd2, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, len) == -1) 
 { 
  perror("setsockopt"); 
  exit(1); 
 } 

 if( bind(fd1,(struct sockaddr*)&servaddr1,sizeof(servaddr1)) == -1)
 { 
  perror("bind fd1"); 
  exit(1); 
 } 

 if( bind(fd2,(struct sockaddr*)&servaddr2,sizeof(servaddr2)) == -1)
 { 
  perror("bind fd2"); 
  exit(1); 
 } 

 printf("bind fd1 and fd2 OK!\n"); 
 
 /*put other process here*/ 
 getchar(); 
 exit(0);/* end */ 
}

执行结果：

由于第四种情况只用于UDP的多播，和TCP的使用没多大关系，所以就不写测试例子了。自己有兴趣的可以写。

END

来源：一口Linux

版权归原作者所有，如有侵权，请联系删除。

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