Socket通信原理 | 易学教程

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我们经常听说TCP/IP、UDP、Socket，这些到底是什么，之间有什么关系？我们通过本文弄清楚四个问题:

什么是TCP/IP、UDP？
Socket处于协议的哪一层？
Socket是什么？
如何使用它们？

1，什么是TCP/IP、UDP？

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
UDP (User Datagram Protocol，用户数据报协议) 是与TCP相对应的协议，是面向无连接的传输协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
这里有一张图，表明了这些协议的关系。

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。

2, Socket处于协议的哪一层?

3, Socket是什么呢？

从操作系统层面来看，Socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作，所以可以把Socket看成是一种特殊的文件，socket函数可以对其进行各种操作（读/写IO、打开、关闭），从这个层面来讲，我们可以说“一切皆socket”。

从网络协议层面来看，Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

4, 如何使用Socket？

4.1 流程

服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept()阻塞，等待客户端连接。
在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功(TCP三次握手)，这时客户端与服务器端的连接就建立了。
客户端发送数据请求(write)，服务器端接收请求(read)并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据。
最后关闭连接(TCP四次挥手)，一次交互结束。

4.2 socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。

下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。

4.2.1 socket()

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

socket()函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述符(file descriptor)，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

正如可以给fopen()的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
protocol：顾名思义，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket()创建一个socket时，返回的socket描述符存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

4.2.2 bind()

正如上面所说，bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

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

函数的三个参数分别为：

sockfd：即socket描述符，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述符绑定一个名字。
addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同。
addrlen：对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

4.2.3 listen()，connect()

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

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

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述符，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述符，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

4.2.4 accept()

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

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

accept()函数的第一个参数为服务器的socket描述符，第二个参数为指向struct sockaddr * 的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet()成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述符，代表与返回客户的TCP连接。

注意：accept()的第一个参数为服务器的socket描述符，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述符；而accept函数返回的是已连接的socket描述符。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述符，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述符，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述符就被关闭。

4.2.5 read()、write()等函数

万事具备只欠东风，至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网络中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：

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

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。

read()函数是负责从fd中读取内容。当读成功时，read()返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write()函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send()/recv()。

4.2.6 close()

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include 
int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

5，socket中TCP的三次握手建立连接详解

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

客户端向服务器发送一个SYN J
服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
客户端再想服务器发一个确认ACK K+1

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

从图中可以看出，

当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；
服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；
客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；
服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

客户端的connect在三次握手的第二次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

6，socket中TCP的四次挥手中的连接详解

图示过程如下：

客户端首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
服务器接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给客户端，因为FIN的接收意味着客户端在相应的连接上再也接收不到额外数据；
一段时间之后，接收到文件结束符的服务器调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
接收到这个FIN的客户端发送端TCP对它进行确认。

这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

一个socket连接的流程时序图大致如下：