Socket(套接字) 理解

Socket(套接字) 理解

這里對 socket 相關的知識點做下初步總結。

參考資料：https://blog.csdn.net/pashanhu6402/article/details/96428887

1、什么是TCP/IP、UDP、socket？

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即傳輸控制協議/網間協議，是一個工業標准的協議集，它是為廣域網（WANs）設計的。 UDP（User Data Protocol，用戶數據報協議）是與 TCP 相對應的協議。它是屬於 TCP/IP 協議族中的一種。
這里有一張圖，表明了這些協議的關系：

TCP/IP 協議族包括運輸層、網絡層、鏈路層。現在你知道 TCP/IP 與 UDP 的關系了吧。

Socket 在哪里呢？
在上面圖中，我們沒有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？還是用圖來說話，一目了然。

Socket是什么呢？

Socket 是應用層與 TCP/IP 協議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket 其實就是一個門面模式，它把復雜的 TCP/IP 協議族隱藏在Socket 接口后面，對用戶來說，一組簡單的接口就是全部，讓Socket去組織數據，以符合指定的協議。

Socket 流程如下：

先從服務器端說起。服務器端先初始化 Socket ，然后與端口綁定(bind)，對端口進行監聽(listen)，調用accept阻塞，等待客戶端連接。在這時如果有個客戶端初始化一個 Socket，然后連接服務器(connect)，如果連接成功，這時客戶端與服務器端的連接就建立了。客戶端發送數據請求，服務器端接收請求並處理請求，然后把回應數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最后關閉連接(close)，一次交互結束。

2、網絡中進程之間如何通信？

我們要討論的是網絡中進程之間如何通信，首要解決的問題是如何唯一標識一個進程，否則通信無從談起！在本地可以通過進程 PID 來唯一標識一個進程，但是在網絡中這是行不通的。其實 TCP/IP 協議族已經幫我們解決了這個問題，網絡層的 ip 地址”可以唯一標識網絡中的主機，而傳輸層的“協議+端口”可以唯一標識主機中的應用程序（進程）。這樣利用三元組（ip 地址，協議，端口）就可以標識網絡的進程了，網絡中的進程通信就可以利用這個標志與其它進程進行交互。

使用TCP/IP協議的應用程序通常采用應用編程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網絡進程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應用程序都是采用socket，而現在又是網絡時代，網絡中進程通信是無處不在，這就是我為什么說“一切皆socket”。

3、socket的基本操作

socket 是“open—write/read—close”模式的一種實現，那么 socket 就提供了這些操作對應的函數接口。下面以 TCP 為例，介紹幾個基本的 socket 接口函數。

3.1、socket()函數

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函數對應於普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個文件描述字，而socket()用於創建一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣，后續的操作都有用到它，把它作為參數，通過它來進行一些讀寫操作。

3.2、bind()函數

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

bind()函數把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

通常服務器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的地址（如ip地址+端口號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

3.3、listen()、connect()函數

如果作為一個服務器，在調用 socket()、bind()之后就會調用 listen()來監聽這個 socket，如果客戶端這時調用 connect()發出連接請求，服務器端就會接收到這個請求。

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen 函數的第一個參數即為要監聽的 socket 描述字，第二個參數為相應 socket 可以排隊的最大連接個數。socket()函數創建的 socket 默認是一個主動類型的，listen 函數將socket變為被動類型的，等待客戶的連接請求。

connect 函數的第一個參數即為客戶端的 socket 描述字，第二參數為服務器的socket地址，第三個參數為 socket 地址的長度。客戶端通過調用 connect 函數來建立與 TCP 服務器的連接。

3.4、accept()函數

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

TCP 服務器端依次調用 socket()、bind()、listen()之后，就會監聽指定的 socket 地址了。TCP 客戶端依次調用 socket()、connect()之后就向 TCP服務器發送了一個連接請求。TCP 服務器監聽到這個請求之后，就會調用 accept() 函數取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網絡 I/O 操作了，即類同於普通文件的讀寫 I/O 操作。

3.5、read()、write()函數

萬事具備只欠東風，至此服務器與客戶已經建立好連接了。可以調用網絡I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同進程之間的通信！網絡I/O操作有下面幾組：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()

推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數，這兩個函數是最通用的I/O函數，實際上可以把上面的其它函數都替換成這兩個函數。

3.6、close()函數

int close(int fd);

在服務器與客戶端建立連接之后，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。

注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接請求。

4、socket 中 TCP 的三次握手、四次揮手

三次握手請看下圖：

1. 從圖中可以看出，當客戶端調用 connect 時，觸發了連接請求，向服務器發送了 SYN J 包，這時 connect 進入阻塞狀態；
2. 服務器監聽到連接請求，即收到 SYN J 包，調用 accept 函數接收請求向客戶端發送 SYN K ，ACK J+1，這時 accept 進入阻塞狀態；
3. 客戶端收到服務器的 SYN K ，ACK J+1 之后，這時 connect 返回，並對 SYN K 進行確認；服務器收到 ACK K+1時，accept 返回，至此三次握手完畢，連接建立。

四次握手釋放連接的過程，請看下圖：

1. 某個應用進程首先調用 close 主動關閉連接，這時 TCP 發送一個 FIN M；
2. 另一端接收到 FIN M 之后，執行被動關閉，對這個 FIN 進行確認。它的接收也作為文件結束符傳遞給應用進程，因為FIN的接收意味着應用進程在相應的連接上再也接收不到額外數據；
3. 一段時間之后，接收到文件結束符的應用進程調用 close 關閉它的 socket。這導致它的 TCP 也發送一個 FIN N；
4. 接收到這個 FIN 的源發送端 TCP 對它進行確認。

這樣每個方向上都有一個 FIN 和 ACK。