一個埠號可以同時被兩個進程綁定嗎?

2020-12-21 電子工程專輯

一、1個埠號可以同時被兩個進程綁定嗎？

根據埠號的綁定我們分以下幾種情況來討論：

  1. 2個進程分別建立TCP server，使用同一個埠號8888
  2. 2個進程分別建立UDP server，使用同一個埠號8888
  3. 2個進程1個建立TCP server、1個建立UDP server，都使用埠號8888

1. 測試代碼

我們首先編寫兩個簡單的測試程序。

tcp.c

該程序僅僅創建tcp套接字並綁定埠號8888，沒有accept建立連接操作，並且sleep(1000)，讓進程不要太快退出。

/*******伺服器程序  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];

 /*埠號不對，退出*/

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

 /*伺服器端填充 sockaddr結構*/ 
 bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
 server_addr.sin_family=AF_INET;
 /*自動填充主機IP*/
 server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
 server_addr.sin_port=htons(portnumber);

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

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

 sleep(1000);//讓程序不要這麼快的退出
 close(sockfd);
 exit(0);
}

udp.c

該程序僅僅創建udp套接字並綁定埠號8888，沒有accept建立連接操作，並且sleep(1000)，讓進程不要太快退出.

#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; 

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

 /* 伺服器端填充 sockaddr結構 */ 
 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); 

 /* 捆綁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); 
} 

編譯

gcc tcp.c -o tcp
gcc udp.c -o udp

2. 執行結果

1).2個進程分別建立TCP server

情況1執行結果

從結果可知，第二個進程綁定埠號8888綁定失敗。

2).2個進程分別建立UDP server

情況2執行結果

從結果可知，第二個進程綁定埠號8888綁定失敗。

3).1個建立TCP server、1個建立UDP server

情況3執行結果

用netstat命令查看信息。

netstat

從結果可知，該種情形，兩個進程分別綁定成功。

3. 結果分析

由上述結果可知：TCP、UDP可以同時綁定一個埠8888，但是一個埠在同一時刻不可以被TCP或者UDP綁定2次。原因如下：

  1. tcp的埠不是物理概念，僅僅是協議棧中的兩個字節；
  2. TCP和UDP的埠完全沒有任何關係，完全有可能又有一種XXP基於IP，也有埠的概念，這是完全可能的；
  3. TCP和UDP傳輸協議監聽同一個埠後，接收數據互不影響，不衝突。因為數據接收時時根據五元組**{傳輸協議，源IP，目的IP，源埠，目的埠}**判斷接受者的。

二、埠號的一些其他知識點

1. 埠號的作用

埠號可以用來標識同一個主機上通信的不同應用程式，埠號+IP位址就可以組成一個套接字，用來標識一個進程。

2. 埠號的應用場景

在TCP/IP協議中，用「源IP位址」，「目的IP位址」，「源埠號」，「目的埠號」,協議號（IP協議的協議號為4，TCP的協議號為6）這樣的一個五元組來標識一個通信，通信的雙方在發送消息時，消息的頭部會帶著這樣的五元組。

3. 埠範圍劃分

（1）0~1023：知名埠號，是留著備用的，一把都是用於協議，例如HTTP、FTP、SSH ；

（2）1024~65535：是作業系統動態分配的埠號，客戶端程序的埠號，就是由操作糸統從這個範圍來分配的，在TCP與UDP的套接字通信中，客戶端的埠號就是在此範圍中。

4. 知名的埠號與埠號對應的伺服器

比如：

 HTTP伺服器：80 
 FTP伺服器：21

ps：FTP有一個控制連接和一個數據連接，所以FTP是有兩個埠號的，控制連接的埠號是21，數據連接的埠號是20，但是如果FTP的埠號默認是21，如果指明FTP有兩個埠號的話，那就是21和20，否則FTP伺服器的埠號就是21

 TELNET伺服器：23 
 SSH伺服器：22 
 HTTPS：443 
 WEB伺服器：25

5. 在linux中如何查看知名埠號？

cat /etc/services

6. 一個進程是否可以bind多個埠號？

可以

因為一個進程可以打開多個文件描述符，而每個文件描述符都對應一個埠號，所以一個進程可以綁定多個埠號。

Linux內核會給每一個socket分配一個唯一的文件描述符，進程通過該文件描述符來區分對應的套接字。

7. 一個埠號是否可以被多個進程綁定？

同種協議通常不可以，但有一種情況可以。

ps：如果進程先綁定一個埠號，然後在fork一個子進程，這樣的話就可以是實現多個進程綁定一個埠號，但是兩個不同的進程綁定同一個埠號是不可以的。

三、SO_REUSEADDR有什麼用處和怎麼使用？

當兩個socket的address和port相衝突，而我們又想重用地址和埠，則舊的socket和新的socket都要已經被設置了SO_REUSEADDR特性，只有兩者之一有這個特性還是有問題的。

SO_REUSEADDR可以用在以下四種情況下。(摘自《Unix網絡編程》卷一，即UNPv1)

  1. 當有一個有相同本地地址和埠的socket1處於TIME_WAIT狀態時【4次握手】，而你啟動的程序的socket2要佔用該地址和埠，你的程序就要用到該選項。

一般來說，一個埠釋放後會等待兩分鐘之後才能再被使用，SO_REUSEADDR是讓埠釋放後立即就可以被再次使用。

SO_REUSEADDR用於對TCP套接字處於TIME_WAIT狀態下的socket，才可以重複綁定使用。server程序總是應該在調用bind()之前設置SO_REUSEADDR套接字選項。TCP，先調用close()的一方會進入TIME_WAIT狀態。

4次握手順序見下圖：

4次握手

  1. SO_REUSEADDR允許同一port上啟動同一伺服器的多個實例(多個進程)。但每個實例綁定的IP位址是不能相同的。在有多塊網卡或用IP Alias技術的機器可以測試這種情況。

  2. SO_REUSEADDR允許單個進程綁定相同的埠到多個socket上，但每個socket綁定的ip地址不同。這和2很相似，區別請看UNPv1。

SO_REUSEADDR允許啟動一個監聽伺服器並捆綁其眾所周知埠，即使以前建立的將此埠用做他們的本地埠的連接仍存在。這通常是重啟監聽伺服器時出現，若不設置此選項，則bind時將出錯。

SO_REUSEADDR允許在同一埠上啟動同一伺服器的多個實例，只要每個實例捆綁一個不同的本地IP位址即可。對於TCP，我們根本不可能啟動捆綁相同IP位址和相同埠號的多個伺服器。

SO_REUSEADDR允許單個進程捆綁同一埠到多個套接口上，只要每個捆綁指定不同的本地IP位址即可。這一般不用於TCP伺服器。

  1. SO_REUSEADDR允許完全相同的地址和埠的重複綁定。但這只用於UDP的多播，不用於TCP。

SO_REUSEADDR允許完全重複的捆綁：當一個IP位址和埠綁定到某個套接口上時，還允許此IP位址和埠捆綁到另一個套接口上。一般來說，這個特性僅在支持多播的系統上才有，而且只對UDP套接口而言（TCP不支持多播）。

SO_REUSEPORT選項有如下語義：此選項允許完全重複捆綁，但僅在想捆綁相同IP位址和埠的套接口都指定了此套接口選項才行。

如果被捆綁的IP位址是一個多播地址，則SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT等效。

使用這兩個套接口選項的建議：在所有TCP伺服器中，在調用bind之前設置SO_REUSEADDR套接口選項；當編寫一個同一時刻在同一主機上可運行多次的多播應用程式時，設置SO_REUSEADDR選項，並將本組的多播地址作為本地IP位址捆綁。

設置方法如下：

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

附

Q:編寫 TCP/SOCK_STREAM 服務程序時，SO_REUSEADDR到底什麼意思？

A:這個套接字選項通知內核，如果埠忙，但TCP狀態位於 TIME_WAIT ，可以重用埠。如果埠忙，而TCP狀態位於其他狀態，重用埠時依舊得到一個錯誤信息，指明"地址已經使用中"。如果你的服務程序停止後想立即重啟，而新套接字依舊使用同一埠，此時SO_REUSEADDR 選項非常有用。必須意識到，此時任何非期望數據到達，都可能導致服務程序反應混亂，不過這只是一種可能，事實上很不可能。

一個套接字由相關五元組構成，協議、本地地址、本地埠、遠程地址、遠程埠。SO_REUSEADDR 僅僅表示可以重用本地本地地址、本地埠，整個相關五元組還是唯一確定的。所以，重啟後的服務程序有可能收到非期望數據。必須慎重使用 SO_REUSEADDR 選項。

舉例

例子1:測試上面第一種情況。

#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);/*關閉監聽套接字，子進程不需要。*/ 
        
        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

測試：編譯為run程序，放到一個自己PATH環境變量裡的某個路徑裡，例如$HOME/bin，運行run，然後telnet localhost 10013看結果。

第一步 運行程序，此時程序阻塞在accept（）這個位置。

第二步 重新打開一個終端，執行以下命令。

第三步：可以看到次異步運行的程序退出，並列印了bind call OK! 說明子進程被執行，並且成功綁定了埠10013，驗證了第一種情況。

  1. 第二種情況我沒有環境測，所以就不給測試程序了，大家有條件的可以自己寫一個來測試一下。

ifconfig

可以得到本地地址為：

eth0 ： 192.168.43.171
lo      : 127.0.0.1

測試代碼

#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 */ 
} 

執行結果

結果
  1. 由於第四種情況只用於UDP的多播，和TCP的使用沒多大關係，所以就不寫測試例子了。自己有興趣的可以寫。

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