隨著網路技術的發展，TCP/IP、UDP、Socket這些詞充斥著我們的耳朵。那么我想問： 1. 什么是TCP/IP、UDP？ 2. Socket在哪里呢？ 3. Socket是什么呢？ 4. 你會使用它們嗎？ 什么是TCP/IP、UDP？ TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即傳輸控制協議/網間協議，是一個工業標準的協議集，它是為廣域網（WANs）設計的。 UDP（User Data Protocol，用戶資料報協議）是與TCP相對應的協議。它是屬于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。 圖1 TCP/IP協議族包括運輸層、網路層、鏈路層。現在你知道TCP/IP與UDP的關系了吧。 Socket在哪里呢？ 在圖1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。 圖2 原來Socket在這里。 Socket是什么呢？ Socket是應用層與TCP/IP協議族通信的中間軟體抽象層，它是一組介面。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介面后面，對用戶來說，一組簡單的介面就是全部，讓Socket去組織資料，以符合指定的協議。 你會使用它們嗎？ 前人已經給我們做了好多的事了，網路間的通信也就簡單了許多，但畢竟還是有挺多作業要做的。以前聽到Socket編程，覺得它是比較高深的編程知識，但是只要弄清Socket編程的作業原理，神秘的面紗也就揭開了。 一個生活中的場景。你要打電話給一個朋友，先撥號，朋友聽到電話鈴聲后提起電話，這時你和你的朋友就建立起了連接，就可以講話了。等交流結束，掛斷電話結束此次交談。 生活中的場景就解釋了這作業原理，也許TCP/IP協議族就是誕生于生活中，這也不一定。 圖3 先從服務器端說起。服務器端先初始化Socket，然后與埠系結(bind)，對埠進行監聽(listen)，呼叫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。客戶端發送資料請求，服務器端接收請求并處理請求，然后把回應資料發送給客戶端，客戶端讀取資料，最后關閉連接，一次互動結束。 ============================================ 我們深諳資訊交流的價值，那網路中行程之間如何通信，如我們每天打開瀏覽器瀏覽網頁 時，瀏覽器的行程怎么與web服務器通信的？當你用QQ聊天時，QQ行程怎么與服務器或你好友所在的QQ行程通信？這些都得靠socket？那什么是 socket？socket的型別有哪些？還有socket的基本函式，這些都是本文想介紹的。本文的主要內容如下： 1、網路中行程之間如何通信？ 2、Socket是什么？ 3、socket的基本操作 3.1、socket()函式 3.2、bind()函式 3.3、listen()、connect()函式 3.4、accept()函式 3.5、read()、write()函式等 3.6、close()函式 4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解 5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解 6、一個例子 1、網路中行程之間如何通信？ 本地的行程間通信（IPC）有很多種方式，但可以總結為下面4類： 訊息傳遞（管道、FIFO、訊息佇列） 同步（互斥量、條件變數、讀寫鎖、檔案和寫記錄鎖、信號量） 共享記憶體（匿名的和具名的） 遠程程序呼叫（Solaris門和Sun RPC） 但這些都不是本文的主題！我們要討論的是網路中行程之間如何通信？首要解決的問題是如何唯一標識一個行程，否則通信無從談起！在本地可以通過行程PID來唯一標識一個行程，但是在網路中這是行不通的。其實TCP/IP協議族已經幫我們解決了這個問題，網路層的“ip地址”可以唯一標識網路中的主機，而傳輸層的“協議+埠”可以唯一標識主機中的應用程式（行程）。這樣利用三元組（ip地址，協議，埠）就可以標識網路的行程了，網路中的行程通信就可以利用這個標志與其它行程進行互動。 使用TCP/IP協議的應用程式通常采用應用編程介面：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實作網路行程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應用程式都是采用socket，而現在又是網路時代，網路中行程通信是無處不在，這就是我為什么說“一切皆socket”。 2、什么是Socket？ 上面我們已經知道網路中的行程是通過socket來通信的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆檔案”，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作，socket即是一種特殊的檔案，一些socket函式就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關閉），這些函式我們在后面進行介紹。 socket一詞的起源 在組網領域的首次使用是在1970年2月12日發布的文獻IETF RFC33中發現的，撰寫者為Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據美國計算機歷史博物館的記載，Croker寫道：“命名空間的元素都可稱為套接字介面。一個套接字介面構成一個連接的一端，而一個連接可完全由一對套接字介面規定。”計算機歷史博物館補充道：“這比BSD的套接字介面定義早了大約12年。” 3、socket的基本操作 既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實作，那么socket就提供了這些操作對應的函式介面。下面以TCP為例，介紹幾個基本的socket介面函式。 3.1、socket()函式 int socket(int domain, int type, int protocol); socket函式對應于普通檔案的打開操作。普通檔案的打開操作回傳一個檔案描述字，而socket()用于創建一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟檔案描述字一樣，后續的操作都有用到它，把它作為引數，通過它來進行一些讀寫操作。 正如可以給fopen的傳入不同引數值，以打開不同的檔案。創建socket的時候，也可以指定不同的引數創建不同的socket描述符，socket函式的三個引數分別為： domain：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址型別，在通信中必須采用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與埠號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。 type：指定socket型別。常用的socket型別有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的型別有哪些？）。 protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（這個協議我將會單獨開篇討論！）。 注意：并不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type型別對應的默認協議。 當我們呼叫socket創建一個socket時，回傳的socket描述字它存在于協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須呼叫bind()函式，否則就當呼叫connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個埠。 3.2、bind()函式 正如上面所說bind()函式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地址和埠號組合賦給socket。 int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); 函式的三個引數分別為： sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函式創建了，唯一標識一個socket。bind()函式就是將給這個描述字系結一個名字。 addr：一個const struct sockaddr *指標，指向要系結給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址創建socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是： struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; in_port_t sin_port; struct in_addr sin_addr; };struct in_addr { uint32_t s_addr; }; ipv6對應的是： struct sockaddr_in6 { sa_family_t sin6_family; in_port_t sin6_port; uint32_t sin6_flowinfo; struct in6_addr sin6_addr; uint32_t sin6_scope_id; };struct in6_addr { unsigned char s6_addr[16]; }; Unix域對應的是： #define UNIX_PATH_MAX 108struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; }; addrlen：對應的是地址的長度。 通常服務器在啟動的時候都會系結一個眾所周知的地址（如ip地址+埠號），用于提供服務，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埠號和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務器端在listen之前會呼叫bind()，而客戶端就不會呼叫，而是在connect()時由系統隨機生成一個。 網路位元組序與主機位元組序 主機位元組序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的位元組序型別，這些位元組序是指整數在記憶體中保存的順序，這個叫做主機序。參考標準的Big-Endian和Little-Endian的定義如下： a) Little-Endian就是低位位元組排放在記憶體的低地址端，高位位元組排放在記憶體的高地址端。 b) Big-Endian就是高位位元組排放在記憶體的低地址端，低位位元組排放在記憶體的高地址端。 網路位元組序：4個位元組的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端位元組序。由于TCP/IP首部中所有的二進制整數在網路中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網路位元組序。位元組序，顧名思義位元組的順序，就是大于一個位元組型別的資料在記憶體中的存放順序，一個位元組的資料沒有順序的問題了。 所以：在將一個地址系結到socket的時候，請先將主機位元組序轉換成為網路位元組序，而不要假定主機位元組序跟網路位元組序一樣使用的是Big-Endian。由于 這個問題曾引發過血案！公司專案代碼中由于存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機位元組序不要做任何假定，務必將其轉化為網路位元組序再 賦給socket。 3.3、listen()、connect()函式 如果作為一個服務器，在呼叫socket()、bind()之后就會呼叫listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時呼叫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函式的第一個引數即為要監聽的socket描述字，第二個引數為相應socket可以排隊的最大連接個數。socket()函式創建的socket默認是一個主動型別的，listen函式將socket變為被動型別的，等待客戶的連接請求。 connect函式的第一個引數即為客戶端的socket描述字，第二引數為服務器的socket地址，第三個引數為socket地址的長度。客戶端通過呼叫connect函式來建立與TCP服務器的連接。 3.4、accept()函式 TCP服務器端依次呼叫socket()、bind()、listen()之后，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次呼叫socket()、connect()之后就想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，就會呼叫accept()函式取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網路I/O操作了，即類同于普通檔案的讀寫I/O操作。 int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); accept函式的第一個引數為服務器的socket描述字，第二個引數為指向struct sockaddr *的指標，用于回傳客戶端的協議地址，第三個引數為協議地址的長度。如果accpet成功，那么其回傳值是由內核自動生成的一個全新的描述字，代表與回傳客戶的TCP連接。 注意：accept的第一個引數為服務器的socket描述字，是服務器開始呼叫socket()函式生成的，稱為監聽socket描述字；而accept函式回傳的是已連接的socket描述字。一個服務器通常通常僅僅只創建一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命周期內一直存在。內核為每個由服務器行程接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描述字就被關閉。 3.5、read()、write()等函式 萬事具備只欠東風，至此服務器與客戶已經建立好連接了。可以呼叫網路I/O進行讀寫操作了，即實作了網咯中不同行程之間的通信！網路I/O操作有下面幾組： read()/write() recv()/send() readv()/writev() recvmsg()/sendmsg() recvfrom()/sendto() 我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函式，這兩個函式是最通用的I/O函式，實際上可以把上面的其它函式都替換成這兩個函式。它們的宣告如下： #include ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); #include #include ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags); ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags); ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen); ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen); ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags); ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags); read函式是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read回傳實際所讀的位元組數，如果回傳的值是0表示已經讀到檔案的結束了，小于0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網路連接出了問題。 write函式將buf中的nbytes位元組內容寫入檔案描述符fd.成功時回傳寫的位元組 數。失敗時回傳-1，并設定errno變數。在網路程式中，當我們向套接字檔案描述符寫時有倆種可能。1)write的回傳值大于0，表示寫了部分或者是 全部的資料。2)回傳的值小于0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤型別來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示 網路連接出現了問題(對方已經關閉了連接)。 其它的我就不一一介紹這幾對I/O函式了，具體參見man檔案或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。 3.6、close()函式 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，好比操作完打開的檔案要呼叫fclose關閉打開的檔案。 #include int close(int fd); close一個TCP socket的預設行為時把該socket標記為以關閉，然后立即回傳到呼叫行程。該描述字不能再由呼叫行程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個引數。 注意：close操作只是使相應socket描述字的參考計數-1，只有當參考計數為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的三次握手建立連接詳解 我們知道tcp建立連接要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下： 客戶端向服務器發送一個SYN J 服務器向客戶端回應一個SYN K，并對SYN J進行確認ACK J+1 客戶端再想服務器發一個確認ACK K+1 只有就完了三次握手，但是這個三次握手發生在socket的那幾個函式中呢？請看下圖： 圖1、socket中發送的TCP三次握手 從圖中可以看出，當客戶端呼叫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；服務器監聽到連接請求，即收到SYN J包，呼叫accept函式接收請求向客戶端發送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到服務器的SYN K ，ACK J+1之后，這時connect回傳，并對SYN K進行確認；服務器收到ACK K+1時，accept回傳，至此三次握手完畢，連接建立。 總結：客戶端的connect在三次握手的第二個次回傳，而服務器端的accept在三次握手的第三次回傳。 5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解 上面介紹了socket中TCP的三次握手建立程序，及其涉及的socket函式。現在我們介紹socket中的四次握手釋放連接的程序，請看下圖： 圖2、socket中發送的TCP四次握手 圖示程序如下： 某個應用行程首先呼叫close主動關閉連接，這時TCP發送一個FIN M； 另一端接收到FIN M之后，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也作為檔案結束符傳遞給應用行程，因為FIN的接收意味著應用行程在相應的連接上再也接收不到額外資料； 一段時間之后，接收到檔案結束符的應用行程呼叫close關閉它的socket。這導致它的TCP也發送一個FIN N； 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。
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