TCP/IP协议栈之LwIP（十）

BSD Socket最初是由加州伯克利大学为Unix系统开发出来的，因此也被称为伯克利套接字（Internet Berkeley Sockets），它是一种采用C语言进程间通信库的应用程序接口（API），经常用在计算机网络间的通信，大多数其他的编程语言也都使用类似的接口。

BSD Socket作为一种API，允许不同主机或者同一个计算机上的不同进程之间的通信，它支持多种I/O设备和驱动，但是具体的实现是依赖操作系统的。这种接口对于TCP/IP是必不可少的，所以是互联网的基础技术之一，所有现代的操作系统都实现了BSD Socket API，因为它已经是连接互联网的标准接口了，也是当前主机网络程序设计领域的事实标准。

为了能更大程度上方便开发者将其他平台上的网络应用程序移植到LwIP上，也为了能让更多开发者快速上手LwIP，LwIP内核作者为LwIP设计了第三种应用程序编程接口，即Socket API，兼容于BSD Socket，但是受嵌入式处理器资源和性能的限制，部分Socket接口并未在LwIP中完全实现，如果想了解完整的BSD Socket可以参考Berkeley套接字和BSD套接字API两篇文章。同时，Socket API是基于Sequential API来实现的，所以应用程序的执行效率较基于后者实现的程序效率更低，抽象程度越高，执行效率的损失越大，读者需要平衡取舍执行效率与通用可移植性。

BSD中用一个套接字记录网络中的一个连接，套接字就像一个普通的文件，应用程序可以像操作普通文件那样操作它，例如打开、关闭、读写等。文件描述符是一个整数，所以套接字描述符也是一个整数，通过它可以索引到内核中描述连接的具体结构。

在LwIP抽象出来的Socket API中，内核为用户提供了最多NUM_SOCKETS个可使用的socket描述符，并定义了结构体lwip_socket（对netconn结构的封装和增强）来描述一个具体连接。内核定义了数组sockets，通过一个Socket描述符就可以索引得到相应的连接结构lwip_socket，从而实现对连接的操作。连接结构lwip_socket的数据结构实现如下：

lwip_socket结构是对连接结构netconn的再次封装，在内核内部，对lwip_socket的操作最终都会映射到对netconn结构的操作上。

描述socket的结构体lwip_sock相对比较简单，它基于内核netconn来实现所有逻辑，conn指向了与socket对应的netconn结构；另外在socket数据接收时，其实它是利用netconn相关的接收函数获得一个pbuf（对于TCP）或者一个netbuf（对于UDP）数据，而这二者封装的数据可能大于socket用户指定的数据接收长度，因此在这种情况下，这两个数据包需要暂时保存在socket中，以待用户下一次读取，这里lastdata就用于指向未被用户完全读取的数据包，而lastoffset则指向了未读取的数据在数据包中的偏移。

lwip_sock最后的五个字段是为select机制实现时使用，select函数可通过事件机制监听一个或多个套接字状态的变化，常用于并发服务器编程，后面再专门介绍其实现过程。

该函数功能是向内核申请一个套接字，本质上，socket是对Sequential API函数netconn_new的封装，三个参数分别如下：

该函数的返回值为一个有效的socket描述符，内核使用这个函数就可以索引到描述连接的具体结构lwip_socket。当申请失败时，该函数返回-1。该函数的实现代码如下：

该函数功能是将一个套接字与本地地址信息进行绑定，本质上，bind是对Sequential API函数netconn_bind的封装。作为服务器程序，通常需要调用该函数将套接字绑定到本地的知名端口号上，这样才能响应客户端的连接请求。参数s记录了将要进行绑定的套接字对象；参数name指向一个sockaddr结构体，包含了本地IP地址和端口号等信息；参数namelen指出了结构体的长度。结构体sockaddr的定义如下：

结构体sockaddr中的sa_family指向该套接字所使用的协议簇，sa_data指向了bind需要的一些本地地址信息，前2个字节用于记录端口号port，接下来4个字节用于记录IP地址，剩余的8个字节用于传递其他信息，这里暂未用到。由于sa_data以连续空间的方式存在，如果用户要填写其中的IP字段和端口port字段，会显得比较麻烦，因此socket中定义了另一种sockaddr_in结构，它与sockaddr结构对等，只是从中抽出IP地址和端口号port，方便于用于的编程操作。

该函数绑定成功时返回0，绑定失败时返回-1。该函数的实现代码如下：

该函数功能与bind函数相对应：将套接字与目的地址信息进行绑定。该函数本质上是对Sequential API函数netconn_connect的封装，作为客户端程序，通常需要使用该函数来绑定服务器的地址信息。对于TCP连接，调用这个函数会导致客户端与服务器之间发生连接握手过程，并最终建立一条稳定的连接；对于UDP连接，该函数调用不会有任何数据包被发送，只是在连接结构中记录下服务器的地址信息。当调用成功时，函数返回0；否则返回-1。

该函数功能是获取该套接字的本地地址信息 / 远端地址信息。该函数本质上是对Sequential API函数netconn_addr / netconn_peer的封装，参数name保存了从套接字获取的地址信息，参数namelen保存了从套接字获取的name结构体长度信息。当调用成功时，函数返回0；否则返回-1。

该函数只能在TCP服务器程序中使用，作用是将一个套接字置为侦听状态，以等待客户端的连接请求。该函数本质上是对Sequential API函数netconn_listen的封装，内核同时接收到多个连接请求时，需要对这些请求进行排队处理，参数backlog指明了该套接字上连接请求队列的最大长度。当调用成功时，函数返回0；否则返回-1。

该函数也只能在TCP服务器程序中使用，作用是从套接字的连接请求队列中获取一个新建立的连接，如果请求队列为空，该函数会阻塞，直至新连接到来。该函数本质上是对Sequential API函数netconn_accept的封装，当接收到新连接后，连接另一端（客户端）的地址信息会被填入到地址结构addr中，而对应地址信息的长度被记录到addrlen中。函数返回新连接的套接字描述符，若调用失败，函数返回-1。

函数sendto主要在UDP连接中使用，作用是向另一端发送UDP报文。该函数本质上是对Sequential API函数netconn_send的封装，参数data和size分别指出了待发送数据的起始地址和长度；flags指明数据发送时的特殊处理，例如带外数据、紧急数据等，通常设置为0；参数to和tolen分别指明了目的地址信息及信息的长度，地址信息包含了目的IP地址和目的端口号。调用成功后，函数返回成功发送的字节数，出错则返回-1。

另一个函数send主要用于在一条已建立的连接上发送数据，因此不需要在参数中包含目的地址信息。该函数即可用于TCP程序，也可用于UDP程序，其本质是对Sequential API函数netconn_write和netconn_send的封装。调用成功后，函数返回成功发送的字节数，出错则返回-1。该函数的实现代码如下：