【网络编程知识】什么是Socket？概念及原理分析

什么是Socket

先来看一下百度百科介绍

套接字(Socket)，就是对网络中不同主机上的应用进程之间进行双向通信的端点的抽象。一个套接字就是网络上进程通信的一端，提供了应用层进程利用网络协议交换数据的机制。从所处的地位来讲，套接字上联应用进程，下联网络协议栈，是应用程序通过网络协议进行通信的接口，是应用程序与网络协议栈进行交互的接口。

套接字 是通信的基石，是支持TCP/IP协议的路通信的基本操作单元。可以将套接字看作不同主机间的进程进行双间通信的端点，它构成了单个主机内及整个网络间的编程界面。套接字存在于通信域中，通信域是为了处理一般的线程通过套接字通信而引进的一种抽象概念。套接字通常和同一个域中的套接字交换数据(数据交换也可能穿越域的界限，但这时一定要执行某种解释程序)，各种进程使用这个相同的域互相之间用Internet协议簇来进行通信。

Socket(套接字) 可以看成是两个网络应用程序进行通信时，各自通信连接中的端点，这是一个逻辑上的概念。它是网络环境中进程间通信的API(应用程序编程接口)，也是可以被命名和寻址的通信端点，使用中的每一个套接字都有其类型和一个与之相连进程。通信时其中一个网络应用程序将要传输的一段信息写入它所在主机的 Socket中，该 Socket通过与网络接口卡(NIC)相连的传输介质将这段信息送到另外一台主机的 Socket中，使对方能够接收到这段信息。 Socket是由IP地址和端口结合的，提供向应用层进程传送数据包的机制。

Socket主要类型

1. 流套接字(SOCK_STREAM)
   流套接字用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务将保证数据能够实现无差错、无重复送，并按顺序接收。流套接字之所以能够实现可靠的数据服务，原因在于其使用了传输控制协议，即TCP(The Transmission Control Protocol)协议 。
2. 数据报套接字(SOCK_DGRAM)
   数据报套接字提供一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的可靠性,数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP( User DatagramProtocol)协议进行数据的传输。由于数据报套接字不能保证数据传输的可靠性，对于有可能出现的数据丢失情况，需要在程序中做相应的处理 。
3. 原始套接字(SOCK_RAW)
   原始套接字与标准套接字(标准套接字指的是前面介绍的流套接字和数据报套接字)的区别在于：原始套接字可以读写内核没有处理的IP数据包，而流套接字只能读取TCP协议的数据，数据报套接字只能读取UDP协议的数据。因此，如果要访问其他协议发送的数据必须使用原始套接。

TCP/IP

要想理解 socket 首先得熟悉一下TCP/IP协议， TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，定义了主机如何连入因特网及数据如何再它们之间传输的标准。

不同于OSI模型的七个分层，TCP/IP协议参考模型把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中。

• 应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等
• 传输层：TCP，UDP
• 网络层：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP
• 数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU

OSI七层网络模型(从下往上)：

• 物理层(Physical)：设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的 环境。可以理解为网络传输的物理媒体部分，比如网卡，网线，集线器，中继器，调制解调器等！ 在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，这一层的单位是:bit比特
• 数据链路层(Datalink)：可以理解为数据通道，主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行 数据的可靠传递，改层作用包括：物理地址寻址，数据的成帧，流量控制，数据检错以及重发等！ 另外这个数据链路指的是：物理层要为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其连接。媒体是 长期的，连接是有生存期的。在连接生存期内，收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信。 每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两过程！这种建立起来的数据收发关系~ 该层的设备有：网卡，网桥，网路交换机，另外该层的单位为：帧
• 网络层(Network)：主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发 送方路由到接收方，所谓的路由与寻径：一台终端可能需要与多台终端通信，这样就产生的了 把任意两台终端设备数据链接起来的问题！简单点说就是：建立网络连接和为上层提供服务！ 该层的设备有：路由！该层的单位为：数据包，另外IP协议就在这一层！
• 传输层(Transport)：向上面的应用层提供通信服务，面向通信部分的最高层，同时也是 用户功能中的最低层。接收会话层数据，在必要时将数据进行分割，并将这些数据交给网络 层，并且保证这些数据段有效的到达对端！所以这层的单位是：数据段；而这层有两个很重要 的协议就是：TCP传输控制协议与UDP用户数据报协议，这也是本章节核心讲解的部分！
• 会话层(Session)：负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信。建立通信链接， 保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时 决定从何处重新发送，即不同机器上的用户之间会话的建立及管理！
• 表示层(Presentation)：对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应 的含义，并按照一定的格式传送给会话层。其主要功能是"处理用户信息的表示问题，如编码、 数据格式转换和加密解密，压缩解压缩"等
• 应用层(Application)：OSI参考模型的最高层，为用户的应用程序提供网络服务。 它在其他6层工作的基础上，负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。此外，该层还负责协调各个应用程序间的工作。应用层为用户提供的服务和协议有：文件服务、目录服务、文件传输服务（FTP）、远程登录服务（Telnet）、电子邮件服务（E-mail）、打印服务、安全服务、网络管理服务、数据库服务等。

TCP 网络编程

socket 一般分为 TCP 网络编程 和 UDP 网络编程。

下面以 TCP 网络编程 为例，看一下Socket编程。

TCP协议 通过三次握手建立一个可靠的连接：

• 第一次握手：客户端尝试连接服务器，向服务器发送syn包（同步序列编号Synchronize Sequence Numbers），syn=j，客户端进入SYN_SEND状态等待服务器确认
• 第二次握手：服务器接收客户端syn包并确认（ack=j+1），同时向客户端发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态
• 第三次握手：第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

一幅图来理解TCP 网络编程，图片参考网上资料。

socket编程API

socket 是 "打开—读/写—关闭" 模式的实现

下面简单介绍一下常用的API方法作用和参数

socket：根据指定的地址族、数据类型和协议来分配一个socket的描述字及其所用的资源。

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

domain:协议族，常用的有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL、AF_ROUTE其中AF_INET代表使用ipv4地址
type:socket类型，常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等
protocol:协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等

bind：把一个地址族中的特定地址赋给socket

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

sockfd:socket描述字，也就是socket引用
addr:要绑定给sockfd的协议地址
addrlen:地址的长度

listen：监听socket

int listen(int sockfd, int backlog);

sockfd:要监听的socket描述字
backlog:相应socket可以排队的最大连接个数 

connect：连接某个socket

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

sockfd:客户端的socket描述字
addr:服务器的socket地址
addrlen:socket地址的长度

accept： TCP服务器监听到客户端请求之后，调用accept()函数取接收请求

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

sockfd:服务器的socket描述字
addr:客户端的socket地址
addrlen:socket地址的长度

read：读取socket内容

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

fd:socket描述字
buf：缓冲区
count：缓冲区长度

write：向socket写入内容，其实就是发送内容

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

fd:socket描述字
buf：缓冲区
count：缓冲区长度

close

int close(int fd);
socket标记为以关闭 ，使相应socket描述字的引用计数-1，当引用计数为0的时候，触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。