介绍

Socket实质就是基础网络结构中，对TCP/IP协议族加的一层抽象（API），介于网络层与运输层之间，方便开发人员快捷地使用TCP/IP来进行网络部分的开发。

大致结构

工作原理

流程图解

网络进程之间的通信

• 既然要进行通信，那么就得明确通信主体对象，必须有发出，和接收的目标。在计算机本地进程之间的通信，是将进程的PID值作为唯一标识来区分不同进程，进而通信。
• 而作为网络不同主体不同进程之间的通信，也就必须要有唯一的标识来区分，不然就无法按图索骥，找到正确的接收主体，和发送主体。

在TCP/IP协议族的网络传输结构中，网络层中的IP地址可以唯一标识网络中的主机，而在传输层的协议+端口则可以唯一标识主机中的每个应用程序（进程），这样通过三元组（IP+协议+端口）就可以唯一标识不同主机的不同进程了。（目前网络中使用TCP/IP协议族的程序基本都是采用socket接口，所以socket目前是网络编程通用基础。）

提炼：

• IP地址（唯一标识网络层的主机）
• 协议 + 端口 （唯一标识主机中的进程）

Socket详解

设计思路：

Socket的设计起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，什么是文件？文件应该就是支持open（打开）、read/write（读写）、close（关闭）等操作的数据集合。所以Socket其实也可以抽象化为这么一个特殊的文件，支持打开、关闭、读写等操作。

基本操作：

1. socket(domain, type, protocol)
   该函数对应于open操作，用于创建一个socket描述符（socket descriptor），唯一标识这个socket，通过这个描述符就能对它进行一些其他操作。
   @param：

• domain：协议域，决定了socket的地址类型，在通信中就必须采用对应的地址。
• type：指定了socket的类型。
• protocol：指定使用的协议。（TCP、UDP等传输协议）
  注：type和protocol并不能随意组合，当protocol为0时，则自动选择type类型对应的默认协议。
  当调用socket创建描述符后，它存在于协议族空间，是没有具体地址的。只有调用bind()函数才绑定一个端口，又或是当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

2. bind(sockfd, addr, addrlen)
   该函数用于把一个地址族中的特定地址赋予socket（eg：ip+端口）。通常服务器在启动的时候就会调用它来绑定一个公开的地址（ip地址+端口号），用于提供服务，客户端都通过该地址来连接服务器，而客户端不需要调用该函数，因为其地址（ip+端口）是在调用connect()函数连接服务器时，由系统自动分配的。
   @param：

• sockfd：socket描述字，是通过socket()函数创建的，唯一标识socket，也就是要绑定地址的目标对象。
• addr：一个指向需要绑定给sockfd对象协议地址的指针（struct sockaddr*），结构多变，根据地址协议族（domain）的不同而不同。
• addrlen：对应地址的长度。

3. listen（sockfd, backlog）
   服务器持有，在服务器为socket描述字bind()一个端口后，调用该函数来监听这个socket，用于在客户端发送connect请求后，接收请求，建立连接。通过socket()函数创建的socket默认为主动类型，listen函数会将其变为被动类型，可以等待客户端的连接请求。
   @param：

• sockfd：要监听的socket描述字，同上。
• backlog：对应socket可以排队的最大连接个数。

4. connect（sockfd, addr, addrlen）
   客户端持有，通过调用该函数发出连接请求，建立与TCP服务器的连接。
   @param：

• sockfd：socket描述字，同上。
• addr： 服务器的socket地址指针。
• addrlen：socket地址的长度。

5. accept（sockfd, addr, addrlen）
   TCP服务器在调用listen()函数对socket进行监听后，在收到TCP客户端发送来的connect连接请求时，就会调用该函数来接受请求，建立了连接，之后就可以正常进行网络数据的收发（类似于文件的read/write操作）
   @param：

• sockfd：服务器的socket描述字，同上。
• addr：socket地址指针，用于返回客户端的协议地址。
• addrlen：协议地址的长度。

如果accept成功，那么其返回值为由内核自动生成的一个全新描述字，代表与返回客户端的TCP连接。

注：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，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描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

6. read（）、write（）等函数
   网络I/O操作有下面几组：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()
  推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，为通用的I/O函数，实际可以将上述其他函数都替换成这两个函数。

sendmsg(sockfd, msg, flags);

recvmsg(sockfd, msg, flags);

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两种可能性：
(1). write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。
(2). write的返回的值小于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)。

7. close（sockfd）
   在客户端与服务器建立连接，并且完成了所需要的读写操作后，需要调用该函数来关闭对应的socket描述字，就如同打开文件操作后，必须关闭对应文件。
   @param：
   sockfd：socket描述字，同上。

注：
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。
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。

socket中TCP三次握手建立连接详解

大致流程：

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

三次握手连接图示

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返回结果，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回结果，至此三次握手完毕，连接建立。

总结：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。

socket中TCP的四次挥手释放连接详解

四次握手释放连接图示

图示过程：

• 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M。
• 另一端接收到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应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程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应用进程调用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的源发送端TCP对它进行确认。

每个方向都有一个FIN和ACK。