Socket原理

１、什么是Socket

在計算機通信領域，socket 被翻譯為“套接字”，它是計算機之間進行通信的一種約定或一種方式。通過 socket 這種約定，一臺計算機可以接收其他計算機的數據，也可以向其他計算機發送數據
　　socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。
　　我的理解就是Socket就是該模式的一個實現：即socket是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關閉）。
　　Socket()函數返回一個整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數據傳輸等操作都是通過該Socket實現的。

２、網絡中進程如何通信

既然Socket主要是用來解決網絡通信的，那么我們就來理解網絡中進程是如何通信的。

2.1、本地進程間通信

a、消息傳遞（管道、消息隊列、FIFO）
　　b、同步（互斥量、條件變量、讀寫鎖、文件和寫記錄鎖、信號量）？【不是很明白】
　　c、共享內存（匿名的和具名的，eg:channel）
　　d、遠程過程調用(RPC)

2.2、網絡中進程如何通信

我們要理解網絡中進程如何通信，得解決兩個問題：
　　ａ、我們要如何標識一臺主機，即怎樣確定我們將要通信的進程是在那一臺主機上運行。
　　ｂ、我們要如何標識唯一進程，本地通過pid標識，網絡中應該怎樣標識？
解決辦法：
　　ａ、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
　　ｂ、傳輸層的“協議+端口”可以唯一標識主機中的應用程序（進程），因此，我們利用三元組（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

３、Socket怎么通信

現在，我們知道了網絡中進程間如何通信，即利用三元組【ip地址，協議，端口】可以進行網絡間通信了，那我們應該怎么實現了，因此，我們socket應運而生，它就是利用三元組解決網絡通信的一個中間件工具，就目前而言，幾乎所有的應用程序都是采用socket，如UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰）。
Socket通信的數據傳輸方式，常用的有兩種：
　　ａ、SOCK_STREAM：表示面向連接的數據傳輸方式。數據可以準確無誤地到達另一臺計算機，如果損壞或丟失，可以重新發送，但效率相對較慢。常見的 http 協議就使用 SOCK_STREAM 傳輸數據，因為要確保數據的正確性，否則網頁不能正常解析。
　　ｂ、SOCK_DGRAM：表示無連接的數據傳輸方式。計算機只管傳輸數據，不作數據校驗，如果數據在傳輸中損壞，或者沒有到達另一臺計算機，是沒有辦法補救的。也就是說，數據錯了就錯了，無法重傳。因為 SOCK_DGRAM 所做的校驗工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高。
　　例如：QQ 視頻聊天和語音聊天就使用 SOCK_DGRAM 傳輸數據，因為首先要保證通信的效率，盡量減小延遲，而數據的正確性是次要的，即使丟失很小的一部分數據，視頻和音頻也可以正常解析，最多出現噪點或雜音，不會對通信質量有實質的影響

４、TCP/IP協議

4.1、概念

TCP/IP【TCP（傳輸控制協議）和IP（網際協議）】提供點對點的鏈接機制，將數據應該如何封裝、定址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，都加以標準化。它將軟件通信過程抽象化為四個抽象層，采取協議堆棧的方式，分別實現出不同通信協議。協議族下的各種協議，依其功能不同，被分別歸屬到這四個層次結構之中，常被視為是簡化的七層OSI模型。

它們之間好比送信的線路和驛站的作用，比如要建議送信驛站，必須得了解送信的各個細節。

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的通信協議，數據在傳輸前要建立連接，傳輸完畢后還要斷開連接，客戶端在收發數據前要使用 connect() 函數和服務器建立連接。建立連接的目的是保證IP地址、端口、物理鏈路等正確無誤，為數據的傳輸開辟通道。
TCP建立連接時要傳輸三個數據包，俗稱三次握手（Three-way Handshaking）。可以形象的比喻為下面的對話：

[Shake 1] 套接字A：“你好，套接字B，我這里有數據要傳送給你，建立連接吧。” [Shake 2] 套接字B：“好的，我這邊已準備就緒。” [Shake 3] 套接字A：“謝謝你受理我的請求。

4.2、TCP的粘包問題以及數據的無邊界性：　https://blog.csdn.net/m0_37947204/article/details/80490512

4.4、TCP數據報結構：

帶陰影的幾個字段需要重點說明一下：
　　(1) 序號：Seq（Sequence Number）序號占32位，用來標識從計算機A發送到計算機B的數據包的序號，計算機發送數據時對此進行標記。
　　(2) 確認號：Ack（Acknowledge Number）確認號占32位，客戶端和服務器端都可以發送，Ack = Seq + 1。
　　(3) 標志位：每個標志位占用1Bit，共有6個，分別為 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具體含義如下：

（1）URG：緊急指針（urgent pointer）有效。 （2）ACK：確認序號有效。 （3）PSH：接收方應該盡快將這個報文交給應用層。 （4）RST：重置連接。 （5）SYN：建立一個新連接。 （6）FIN：斷開一個連接。

4.5、連接的建立（三次握手）：

使用 connect() 建立連接時，客戶端和服務器端會相互發送三個數據包，請看下圖：

客戶端調用 socket() 函數創建套接字后，因為沒有建立連接，所以套接字處于CLOSED狀態；服務器端調用 listen() 函數后，套接字進入LISTEN狀態，開始監聽客戶端請求
這時客戶端發起請求：
　　1) 當客戶端調用 connect() 函數后，TCP協議會組建一個數據包，并設置 SYN 標志位，表示該數據包是用來建立同步連接的。同時生成一個隨機數字 1000，填充“序號（Seq）”字段，表示該數據包的序號。完成這些工作，開始向服務器端發送數據包，客戶端就進入了SYN-SEND狀態。
　　2) 服務器端收到數據包，檢測到已經設置了 SYN 標志位，就知道這是客戶端發來的建立連接的“請求包”。服務器端也會組建一個數據包，并設置 SYN 和 ACK 標志位，SYN 表示該數據包用來建立連接，ACK 用來確認收到了剛才客戶端發送的數據包
　　服務器生成一個隨機數 2000，填充“序號（Seq）”字段。2000 和客戶端數據包沒有關系。
　　服務器將客戶端數據包序號（1000）加1，得到1001，并用這個數字填充“確認號（Ack）”字段。
　　服務器將數據包發出，進入SYN-RECV狀態
　　3) 客戶端收到數據包，檢測到已經設置了 SYN 和 ACK 標志位，就知道這是服務器發來的“確認包”。客戶端會檢測“確認號（Ack）”字段，看它的值是否為 1000+1，如果是就說明連接建立成功。
　　接下來，客戶端會繼續組建數據包，并設置 ACK 標志位，表示客戶端正確接收了服務器發來的“確認包”。同時，將剛才服務器發來的數據包序號（2000）加1，得到 2001，并用這個數字來填充“確認號（Ack）”字段。
　　客戶端將數據包發出，進入ESTABLISED狀態，表示連接已經成功建立。
　　4) 服務器端收到數據包，檢測到已經設置了 ACK 標志位，就知道這是客戶端發來的“確認包”。服務器會檢測“確認號（Ack）”字段，看它的值是否為 2000+1，如果是就說明連接建立成功，服務器進入ESTABLISED狀態。
　　至此，客戶端和服務器都進入了ESTABLISED狀態，連接建立成功，接下來就可以收發數據了。

4.6、TCP四次握手斷開連接

建立連接非常重要，它是數據正確傳輸的前提；斷開連接同樣重要，它讓計算機釋放不再使用的資源。如果連接不能正常斷開，不僅會造成數據傳輸錯誤，還會導致套接字不能關閉，持續占用資源，如果并發量高，服務器壓力堪憂。
斷開連接需要四次握手，可以形象的比喻為下面的對話：

[Shake 1] 套接字A：“任務處理完畢，我希望斷開連接。” [Shake 2] 套接字B：“哦，是嗎？請稍等，我準備一下。” 等待片刻后…… [Shake 3] 套接字B：“我準備好了，可以斷開連接了。” [Shake 4] 套接字A：“好的，謝謝合作。”

下圖演示了客戶端主動斷開連接的場景：

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建立連接后，客戶端和服務器都處于ESTABLISED狀態。這時，客戶端發起斷開連接的請求：

客戶端調用 close() 函數后，向服務器發送 FIN 數據包，進入FIN_WAIT_1狀態。FIN 是 Finish 的縮寫，表示完成任務需要斷開連接。

服務器收到數據包后，檢測到設置了 FIN 標志位，知道要斷開連接，于是向客戶端發送“確認包”，進入CLOSE_WAIT狀態。
注意：服務器收到請求后并不是立即斷開連接，而是先向客戶端發送“確認包”，告訴它我知道了，我需要準備一下才能斷開連接。

客戶端收到“確認包”后進入FIN_WAIT_2狀態，等待服務器準備完畢后再次發送數據包。

等待片刻后，服務器準備完畢，可以斷開連接，于是再主動向客戶端發送 FIN 包，告訴它我準備好了，斷開連接吧。然后進入LAST_ACK狀態。

客戶端收到服務器的 FIN 包后，再向服務器發送 ACK 包，告訴它你斷開連接吧。然后進入TIME_WAIT狀態。

服務器收到客戶端的 ACK 包后，就斷開連接，關閉套接字，進入CLOSED狀態。

4.7、關于 TIME_WAIT 狀態的說明

客戶端最后一次發送 ACK包后進入 TIME_WAIT 狀態，而不是直接進入 CLOSED 狀態關閉連接，這是為什么呢？

TCP 是面向連接的傳輸方式，必須保證數據能夠正確到達目標機器，不能丟失或出錯，而網絡是不穩定的，隨時可能會毀壞數據，所以機器A每次向機器B發送數據包后，都要求機器B”確認“，回傳ACK包，告訴機器A我收到了，這樣機器A才能知道數據傳送成功了。如果機器B沒有回傳ACK包，機器A會重新發送，直到機器B回傳ACK包。

客戶端最后一次向服務器回傳ACK包時，有可能會因為網絡問題導致服務器收不到，服務器會再次發送 FIN 包，如果這時客戶端完全關閉了連接，那么服務器無論如何也收不到ACK包了，所以客戶端需要等待片刻、確認對方收到ACK包后才能進入CLOSED狀態。那么，要等待多久呢？

數據包在網絡中是有生存時間的，超過這個時間還未到達目標主機就會被丟棄，并通知源主機。這稱為報文最大生存時間（MSL，Maximum Segment Lifetime）。TIME_WAIT 要等待 2MSL 才會進入 CLOSED 狀態。ACK 包到達服務器需要 MSL 時間，服務器重傳 FIN 包也需要 MSL 時間，2MSL 是數據包往返的最大時間，如果 2MSL 后還未收到服務器重傳的 FIN 包，就說明服務器已經收到了 ACK 包

4.８.優雅的斷開連接–shutdown()

close()/closesocket()和shutdown()的區別
確切地說，close() / closesocket() 用來關閉套接字，將套接字描述符（或句柄）從內存清除，之后再也不能使用該套接字，與C語言中的 fclose() 類似。應用程序關閉套接字后，與該套接字相關的連接和緩存也失去了意義，TCP協議會自動觸發關閉連接的操作。

shutdown() 用來關閉連接，而不是套接字，不管調用多少次 shutdown()，套接字依然存在，直到調用 close() / closesocket() 將套接字從內存清除。
調用 close()/closesocket() 關閉套接字時，或調用 shutdown() 關閉輸出流時，都會向對方發送 FIN 包。FIN 包表示數據傳輸完畢，計算機收到 FIN 包就知道不會再有數據傳送過來了。

默認情況下，close()/closesocket() 會立即向網絡中發送FIN包，不管輸出緩沖區中是否還有數據，而shutdown() 會等輸出緩沖區中的數據傳輸完畢再發送FIN包。也就意味著，調用 close()/closesocket() 將丟失輸出緩沖區中的數據，而調用 shutdown() 不會

５、OSI模型

TCP/IP對OSI的網絡模型層進行了劃分如下：

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TCP/IP協議參考模型把所有的TCP/IP系列協議歸類到四個抽象層中
　　應用層：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等
　　傳輸層：TCP，UDP
　　網絡層：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP
　　數據鏈路層：SLIP，CSLIP，PPP，MTU
　　每一抽象層建立在低一層提供的服務上，并且為高一層提供服務，看起來大概是這樣子的

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６、Socket常用函數接口及其原理

圖解socket函數：

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6.1、使用socket()函數創建套接字

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

af 為地址族（Address Family），也就是 IP 地址類型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的簡寫，INET是“Inetnet”的簡寫。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
大家需要記住127.0.0.1，它是一個特殊IP地址，表示本機地址，后面的教程會經常用到。

type 為數據傳輸方式，常用的有 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM

protocol 表示傳輸協議，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分別表示 TCP 傳輸協議和 UDP 傳輸協議

6.2、使用bind()和connect()函數

socket() 函數用來創建套接字，確定套接字的各種屬性，然后服務器端要用 bind() 函數將套接字與特定的IP地址和端口綁定起來，只有這樣，流經該IP地址和端口的數據才能交給套接字處理；而客戶端要用 connect() 函數建立連接

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

sock 為 socket 文件描述符，addr 為 sockaddr 結構體變量的指針，addrlen 為 addr 變量的大小，可由 sizeof() 計算得出
下面的代碼，將創建的套接字與IP地址 127.0.0.1、端口 1234 綁定：

//創建套接字 int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //創建sockaddr_in結構體變量 struct sockaddr_in serv_addr; memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr)); //每個字節都用0填充 serv_addr.sin_family = AF_INET; //使用IPv4地址 serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //具體的IP地址 serv_addr.sin_port = htons(1234); //端口 //將套接字和IP、端口綁定 bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

connect() 函數用來建立連接，它的原型為：

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

6.3、使用listen()和accept()函數

于服務器端程序，使用 bind() 綁定套接字后，還需要使用 listen() 函數讓套接字進入被動監聽狀態，再調用 accept() 函數，就可以隨時響應客戶端的請求了。
通過** listen() 函數**可以讓套接字進入被動監聽狀態，它的原型為：

int listen(int sock, int backlog);

sock 為需要進入監聽狀態的套接字，backlog 為請求隊列的最大長度。
所謂被動監聽，是指當沒有客戶端請求時，套接字處于“睡眠”狀態，只有當接收到客戶端請求時，套接字才會被“喚醒”來響應請求。

請求隊列
當套接字正在處理客戶端請求時，如果有新的請求進來，套接字是沒法處理的，只能把它放進緩沖區，待當前請求處理完畢后，再從緩沖區中讀取出來處理。如果不斷有新的請求進來，它們就按照先后順序在緩沖區中排隊，直到緩沖區滿。這個緩沖區，就稱為請求隊列（Request Queue）。

緩沖區的長度（能存放多少個客戶端請求）可以通過 listen() 函數的 backlog 參數指定，但究竟為多少并沒有什么標準，可以根據你的需求來定，并發量小的話可以是10或者20。

如果將 backlog 的值設置為 SOMAXCONN，就由系統來決定請求隊列長度，這個值一般比較大，可能是幾百，或者更多。

當請求隊列滿時，就不再接收新的請求，對于 Linux，客戶端會收到 ECONNREFUSED 錯誤

注意：listen() 只是讓套接字處于監聽狀態，并沒有接收請求。接收請求需要使用 accept() 函數。

當套接字處于監聽狀態時，可以通過 accept() 函數來接收客戶端請求。它的原型為：

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

它的參數與 listen() 和 connect() 是相同的：sock 為服務器端套接字，addr 為 sockaddr_in 結構體變量，addrlen 為參數 addr 的長度，可由 sizeof() 求得。

accept() 返回一個新的套接字來和客戶端通信，addr 保存了客戶端的IP地址和端口號，而 sock 是服務器端的套接字，大家注意區分。后面和客戶端通信時，要使用這個新生成的套接字，而不是原來服務器端的套接字。

最后需要說明的是：listen() 只是讓套接字進入監聽狀態，并沒有真正接收客戶端請求，listen() 后面的代碼會繼續執行，直到遇到 accept()。accept() 會阻塞程序執行（后面代碼不能被執行），直到有新的請求到來。

6.4、socket數據的接收和發送

Linux下數據的接收和發送
Linux 不區分套接字文件和普通文件，使用 write() 可以向套接字中寫入數據，使用 read() 可以從套接字中讀取數據。

前面我們說過，兩臺計算機之間的通信相當于兩個套接字之間的通信，在服務器端用 write() 向套接字寫入數據，客戶端就能收到，然后再使用 read() 從套接字中讀取出來，就完成了一次通信。
write() 的原型為：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);

fd 為要寫入的文件的描述符，buf 為要寫入的數據的緩沖區地址，nbytes 為要寫入的數據的字節數。
write() 函數會將緩沖區 buf 中的 nbytes 個字節寫入文件 fd，成功則返回寫入的字節數，失敗則返回 -1。
read() 的原型為：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

fd 為要讀取的文件的描述符，buf 為要接收數據的緩沖區地址，nbytes 為要讀取的數據的字節數。

read() 函數會從 fd 文件中讀取 nbytes 個字節并保存到緩沖區 buf，成功則返回讀取到的字節數（但遇到文件結尾則返回0），失敗則返回 -1。

6.5、socket緩沖區以及阻塞模式

socket緩沖區
每個 socket 被創建后，都會分配兩個緩沖區，輸入緩沖區和輸出緩沖區。

write()/send() 并不立即向網絡中傳輸數據，而是先將數據寫入緩沖區中，再由TCP協議將數據從緩沖區發送到目標機器。一旦將數據寫入到緩沖區，函數就可以成功返回，不管它們有沒有到達目標機器，也不管它們何時被發送到網絡，這些都是TCP協議負責的事情。

TCP協議獨立于 write()/send() 函數，數據有可能剛被寫入緩沖區就發送到網絡，也可能在緩沖區中不斷積壓，多次寫入的數據被一次性發送到網絡，這取決于當時的網絡情況、當前線程是否空閑等諸多因素，不由程序員控制。

read()/recv() 函數也是如此，也從輸入緩沖區中讀取數據，而不是直接從網絡中讀取

這些I/O緩沖區特性可整理如下：

（1）I/O緩沖區在每個TCP套接字中單獨存在； （2）I/O緩沖區在創建套接字時自動生成； （3）即使關閉套接字也會繼續傳送輸出緩沖區中遺留的數據； （4）關閉套接字將丟失輸入緩沖區中的數據。

輸入輸出緩沖區的默認大小一般都是 8K，可以通過 getsockopt() 函數獲取：

unsigned optVal; int optLen = sizeof(int); getsockopt(servSock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (char*)&optVal, &optLen); printf("Buffer length: %d\n", optVal);

阻塞模式
對于TCP套接字（默認情況下），當使用 write()/send() 發送數據時：

1) 首先會檢查緩沖區，如果緩沖區的可用空間長度小于要發送的數據，那么 write()/send() 會被阻塞（暫停執行），直到緩沖區中的數據被發送到目標機器，騰出足夠的空間，才喚醒 write()/send() 函數繼續寫入數據。 2) 如果TCP協議正在向網絡發送數據，那么輸出緩沖區會被鎖定，不允許寫入，write()/send() 也會被阻塞，直到數據發送完畢緩沖區解鎖，write()/send() 才會被喚醒。 3) 如果要寫入的數據大于緩沖區的最大長度，那么將分批寫入。 4) 直到所有數據被寫入緩沖區 write()/send() 才能返回。

當使用 read()/recv() 讀取數據時：

1) 首先會檢查緩沖區，如果緩沖區中有數據，那么就讀取，否則函數會被阻塞，直到網絡上有數據到來。 2) 如果要讀取的數據長度小于緩沖區中的數據長度，那么就不能一次性將緩沖區中的所有數據讀出，剩余數據將不斷積壓，直到有 read()/recv() 函數再次讀取。 3) 直到讀取到數據后 read()/recv() 函數才會返回，否則就一直被阻塞。 這就是TCP套接字的阻塞模式。所謂阻塞，就是上一步動作沒有完成，下一步動作將暫停，直到上一步動作完成后才能繼續，以保持同步性。

TCP套接字默認情況下是阻塞模式

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Socket技术详解（一篇就够了）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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