Socket原理

１、什麼是Socket

在計算機通訊領域，socket 被翻譯為“套接字”，它是計算機之間進行通訊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資料，也可以向其他計算機發送資料
　　socket起源於Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆檔案”，都可以用“開啟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是一種特殊的檔案，一些socket函式就是對其進行的操作（讀/寫IO、開啟、關閉）。

　　Socket()函式返回一個整型的Socket描述符，隨後的連線建立、資料傳輸等操作都是通過該Socket實現的。

２、網路中程序如何通訊

既然Socket主要是用來解決網路通訊的，那麼我們就來理解網路中程序是如何通訊的。

2.1、本地程序間通訊

a、訊息傳遞（管道、訊息佇列、FIFO）
　　b、同步（互斥量、條件變數、讀寫鎖、檔案和寫記錄鎖、訊號量）？【不是很明白】
　　c、共享記憶體（匿名的和具名的，eg:channel）
　　d、遠端過程呼叫(RPC)

2.2、網路中程序如何通訊

我們要理解網路中程序如何通訊，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訊的程序是在那一臺主機上執行。

　　ｂ、我們要如何標識唯一程序，本地通過pid標識，網路中應該怎樣標識？
解決辦法：
　　ａ、TCP/IP協議族已經幫我們解決了這個問題，網路層的“ip地址”可以唯一標識網路中的主機
　　ｂ、傳輸層的“協議+埠”可以唯一標識主機中的應用程式（程序），因此，我們利用三元組（ip地址，協議，埠）就可以標識網路的程序了，網路中的程序通訊就可以利用這個標誌與其它程序進行互動

３、Socket怎麼通訊

現在，我們知道了網路中程序間如何通訊，即利用三元組【ip地址，協議，埠】可以進行網路間通訊了，那我們應該怎麼實現了，因此，我們socket應運而生，它就是利用三元組解決網路通訊的一箇中間件工具，就目前而言，幾乎所有的應用程式都是採用socket，如UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰）。

Socket通訊的資料傳輸方式，常用的有兩種：
　　ａ、SOCK_STREAM：表示面向連線的資料傳輸方式。資料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 傳輸資料，因為要確保資料的正確性，否則網頁不能正常解析。
　　ｂ、SOCK_DGRAM：表示無連線的資料傳輸方式。計算機只管傳輸資料，不作資料校驗，如果資料在傳輸中損壞，或者沒有到達另一臺計算機，是沒有辦法補救的。也就是說，資料錯了就錯了，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 視訊聊天和語音聊天就使用 SOCK_DGRAM 傳輸資料，因為首先要保證通訊的效率，儘量減小延遲，而資料的正確性是次要的，即使丟失很小的一部分資料，視訊和音訊也可以正常解析，最多出現噪點或雜音，不會對通訊質量有實質的影響

４、TCP/IP協議

4.1、概念

TCP/IP【TCP（傳輸控制協議）和IP（網際協議）】提供點對點的連結機制，將資料應該如何封裝、定址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，都加以標準化。它將軟體通訊過程抽象化為四個抽象層，採取協議堆疊的方式，分別實現出不同通訊協議。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）是一種面向連線的、可靠的、基於位元組流的通訊協議，資料在傳輸前要建立連線，傳輸完畢後還要斷開連線，客戶端在收發資料前要使用 connect() 函式和伺服器建立連線。建立連線的目的是保證IP地址、埠、物理鏈路等正確無誤，為資料的傳輸開闢通道。
TCP建立連線時要傳輸三個資料包，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，我這裡有資料要傳送給你，建立連線吧。”
[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的粘包問題以及資料的無邊界性：　https://blog.csdn.net/m0_37947204/article/details/80490512

4.4、TCP資料報結構：

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帶陰影的幾個欄位需要重點說明一下：
　　(1) 序號：Seq（Sequence Number）序號佔32位，用來標識從計算機A傳送到計算機B的資料包的序號，計算機發送資料時對此進行標記。
　　(2) 確認號：Ack（Acknowledge Number）確認號佔32位，客戶端和伺服器端都可以傳送，Ack = Seq + 1。
　　(3) 標誌位：每個標誌位佔用1Bit，共有6個，分別為 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具體含義如下：

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

4.5、連線的建立（三次握手）：

使用 connect() 建立連線時，客戶端和伺服器端會相互發送三個資料包，請看下圖：

　　 20180529001324885.jpeg

客戶端呼叫 socket() 函式建立套接字後，因為沒有建立連線，所以套接字處於CLOSED狀態；伺服器端呼叫 listen() 函式後，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) 當客戶端呼叫 connect() 函式後，TCP協議會組建一個數據包，並設定 SYN 標誌位，表示該資料包是用來建立同步連線的。同時生成一個隨機數字 1000，填充“序號（Seq）”欄位，表示該資料包的序號。完成這些工作，開始向伺服器端傳送資料包，客戶端就進入了SYN-SEND狀態。
　　2) 伺服器端收到資料包，檢測到已經設定了 SYN 標誌位，就知道這是客戶端發來的建立連線的“請求包”。伺服器端也會組建一個數據包，並設定 SYN 和 ACK 標誌位，SYN 表示該資料包用來建立連線，ACK 用來確認收到了剛才客戶端傳送的資料包
　　伺服器生成一個隨機數 2000，填充“序號（Seq）”欄位。2000 和客戶端資料包沒有關係。
　　伺服器將客戶端資料包序號（1000）加1，得到1001，並用這個數字填充“確認號（Ack）”欄位。
　　伺服器將資料包發出，進入SYN-RECV狀態
　　3) 客戶端收到資料包，檢測到已經設定了 SYN 和 ACK 標誌位，就知道這是伺服器發來的“確認包”。客戶端會檢測“確認號（Ack）”欄位，看它的值是否為 1000+1，如果是就說明連線建立成功。
　　接下來，客戶端會繼續組建資料包，並設定 ACK 標誌位，表示客戶端正確接收了伺服器發來的“確認包”。同時，將剛才伺服器發來的資料包序號（2000）加1，得到 2001，並用這個數字來填充“確認號（Ack）”欄位。
　　客戶端將資料包發出，進入ESTABLISED狀態，表示連線已經成功建立。
　　4) 伺服器端收到資料包，檢測到已經設定了 ACK 標誌位，就知道這是客戶端發來的“確認包”。伺服器會檢測“確認號（Ack）”欄位，看它的值是否為 2000+1，如果是就說明連線建立成功，伺服器進入ESTABLISED狀態。
　　至此，客戶端和伺服器都進入了ESTABLISED狀態，連線建立成功，接下來就可以收發資料了。

4.6、TCP四次握手斷開連線

建立連線非常重要，它是資料正確傳輸的前提；斷開連線同樣重要，它讓計算機釋放不再使用的資源。如果連線不能正常斷開，不僅會造成資料傳輸錯誤，還會導致套接字不能關閉，持續佔用資源，如果併發量高，伺服器壓力堪憂。
斷開連線需要四次握手，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，我希望斷開連線。”
[Shake 2] 套接字B：“哦，是嗎？請稍等，我準備一下。”
等待片刻後……
[Shake 3] 套接字B：“我準備好了，可以斷開連線了。”
[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線的場景：

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建立連線後，客戶端和伺服器都處於ESTABLISED狀態。這時，客戶端發起斷開連線的請求：

1. 客戶端呼叫 close() 函式後，向伺服器傳送 FIN 資料包，進入FIN_WAIT_1狀態。FIN 是 Finish 的縮寫，表示完成任務需要斷開連線。
2. 伺服器收到資料包後，檢測到設定了 FIN 標誌位，知道要斷開連線，於是向客戶端傳送“確認包”，進入CLOSE_WAIT狀態。
   注意：伺服器收到請求後並不是立即斷開連線，而是先向客戶端傳送“確認包”，告訴它我知道了，我需要準備一下才能斷開連線。
3. 客戶端收到“確認包”後進入FIN_WAIT_2狀態，等待伺服器準備完畢後再次傳送資料包。
4. 等待片刻後，伺服器準備完畢，可以斷開連線，於是再主動向客戶端傳送 FIN 包，告訴它我準備好了，斷開連線吧。然後進入LAST_ACK狀態。
5. 客戶端收到伺服器的 FIN 包後，再向伺服器傳送 ACK 包，告訴它你斷開連線吧。然後進入TIME_WAIT狀態。
6. 伺服器收到客戶端的 ACK 包後，就斷開連線，關閉套接字，進入CLOSED狀態。

4.7、關於 TIME_WAIT 狀態的說明

客戶端最後一次傳送 ACK包後進入 TIME_WAIT 狀態，而不是直接進入 CLOSED 狀態關閉連線，這是為什麼呢？

TCP 是面向連線的傳輸方式，必須保證資料能夠正確到達目標機器，不能丟失或出錯，而網路是不穩定的，隨時可能會毀壞資料，所以機器A每次向機器B傳送資料包後，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才能知道資料傳送成功了。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。

客戶端最後一次向伺服器回傳ACK包時，有可能會因為網路問題導致伺服器收不到，伺服器會再次傳送 FIN 包，如果這時客戶端完全關閉了連線，那麼伺服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包後才能進入CLOSED狀態。那麼，要等待多久呢？

資料包在網路中是有生存時間的，超過這個時間還未到達目標主機就會被丟棄，並通知源主機。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 包到達伺服器需要 MSL 時間，伺服器重傳 FIN 包也需要 MSL 時間，2MSL 是資料包往返的最大時間，如果 2MSL 後還未收到伺服器重傳的 FIN 包，就說明伺服器已經收到了 ACK 包

4.８.優雅的斷開連線–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（或控制代碼）從記憶體清除，之後再也不能使用該套接字，與C語言中的 fclose() 類似。應用程式關閉套接字後，與該套接字相關的連線和快取也失去了意義，TCP協議會自動觸發關閉連線的操作。

shutdown() 用來關閉連線，而不是套接字，不管呼叫多少次 shutdown()，套接字依然存在，直到呼叫 close() / closesocket() 將套接字從記憶體清除。
呼叫 close()/closesocket() 關閉套接字時，或呼叫 shutdown() 關閉輸出流時，都會向對方傳送 FIN 包。FIN 包表示資料傳輸完畢，計算機收到 FIN 包就知道不會再有資料傳送過來了。

預設情況下，close()/closesocket() 會立即向網路中傳送FIN包，不管輸出緩衝區中是否還有資料，而shutdown() 會等輸出緩衝區中的資料傳輸完畢再發送FIN包。也就意味著，呼叫 close()/closesocket() 將丟失輸出緩衝區中的資料，而呼叫 shutdown() 不會

５、OSI模型

TCP/IP對OSI的網路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
　　網路層：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP
　　資料鏈路層：SLIP，CSLIP，PPP，MTU
　　每一抽象層建立在低一層提供的服務上，並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常用函式介面及其原理

圖解socket函式：

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6.1、使用socket()函式建立套接字

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

1. af 為地址族（Address Family），也就是 IP 地址型別，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，後面的教程會經常用到。
2. type 為資料傳輸方式，常用的有 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM
3. 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()函式

socket() 函式用來建立套接字，確定套接字的各種屬性，然後伺服器端要用 bind() 函式將套接字與特定的IP地址和埠繫結起來，只有這樣，流經該IP地址和埠的資料才能交給套接字處理；而客戶端要用 connect() 函式建立連線

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

sock 為 socket 檔案描述符，addr 為 sockaddr 結構體變數的指標，addrlen 為 addr 變數的大小，可由 sizeof() 計算得出
下面的程式碼，將建立的套接字與IP地址 127.0.0.1、埠 1234 繫結：

//建立套接字
int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
//建立sockaddr_in結構體變數
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每個位元組都用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);  //埠
//將套接字和IP、埠繫結
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

connect() 函式用來建立連線，它的原型為：

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

6.3、使用listen()和accept()函式

於伺服器端程式，使用 bind() 繫結套接字後，還需要使用 listen() 函式讓套接字進入被動監聽狀態，再呼叫 accept() 函式，就可以隨時響應客戶端的請求了。
通過** listen() 函式**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 為請求佇列的最大長度。
所謂被動監聽，是指當沒有客戶端請求時，套接字處於“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。

請求佇列
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，只能把它放進緩衝區，待當前請求處理完畢後，再從緩衝區中讀取出來處理。如果不斷有新的請求進來，它們就按照先後順序在緩衝區中排隊，直到緩衝區滿。這個緩衝區，就稱為請求佇列（Request Queue）。

緩衝區的長度（能存放多少個客戶端請求）可以通過 listen() 函式的 backlog 引數指定，但究竟為多少並沒有什麼標準，可以根據你的需求來定，併發量小的話可以是10或者20。

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

當請求佇列滿時，就不再接收新的請求，對於 Linux，客戶端會收到 ECONNREFUSED 錯誤

注意：listen() 只是讓套接字處於監聽狀態，並沒有接收請求。接收請求需要使用 accept() 函式。

當套接字處於監聽狀態時，可以通過 accept() 函式來接收客戶端請求。它的原型為：

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

它的引數與 listen() 和 connect() 是相同的：sock 為伺服器端套接字，addr 為 sockaddr_in 結構體變數，addrlen 為引數 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訊，addr 儲存了客戶端的IP地址和埠號，而 sock 是伺服器端的套接字，大家注意區分。後面和客戶端通訊時，要使用這個新生成的套接字，而不是原來伺服器端的套接字。

最後需要說明的是：listen() 只是讓套接字進入監聽狀態，並沒有真正接收客戶端請求，listen() 後面的程式碼會繼續執行，直到遇到 accept()。accept() 會阻塞程式執行（後面程式碼不能被執行），直到有新的請求到來。

6.4、socket資料的接收和傳送

Linux下資料的接收和傳送
Linux 不區分套接字檔案和普通檔案，使用 write() 可以向套接字中寫入資料，使用 read() 可以從套接字中讀取資料。

前面我們說過，兩臺計算機之間的通訊相當於兩個套接字之間的通訊，在伺服器端用 write() 向套接字寫入資料，客戶端就能收到，然後再使用 read() 從套接字中讀取出來，就完成了一次通訊。
write() 的原型為：

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

fd 為要寫入的檔案的描述符，buf 為要寫入的資料的緩衝區地址，nbytes 為要寫入的資料的位元組數。
write() 函式會將緩衝區 buf 中的 nbytes 個位元組寫入檔案 fd，成功則返回寫入的位元組數，失敗則返回 -1。
read() 的原型為：

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

fd 為要讀取的檔案的描述符，buf 為要接收資料的緩衝區地址，nbytes 為要讀取的資料的位元組數。

read() 函式會從 fd 檔案中讀取 nbytes 個位元組並儲存到緩衝區 buf，成功則返回讀取到的位元組數（但遇到檔案結尾則返回0），失敗則返回 -1。

6.5、socket緩衝區以及阻塞模式

socket緩衝區
每個 socket 被建立後，都會分配兩個緩衝區，輸入緩衝區和輸出緩衝區。

write()/send() 並不立即向網路中傳輸資料，而是先將資料寫入緩衝區中，再由TCP協議將資料從緩衝區傳送到目標機器。一旦將資料寫入到緩衝區，函式就可以成功返回，不管它們有沒有到達目標機器，也不管它們何時被髮送到網路，這些都是TCP協議負責的事情。

TCP協議獨立於 write()/send() 函式，資料有可能剛被寫入緩衝區就傳送到網路，也可能在緩衝區中不斷積壓，多次寫入的資料被一次性發送到網路，這取決於當時的網路情況、當前執行緒是否空閒等諸多因素，不由程式設計師控制。

read()/recv() 函式也是如此，也從輸入緩衝區中讀取資料，而不是直接從網路中讀取

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這些I/O緩衝區特性可整理如下：

（1）I/O緩衝區在每個TCP套接字中單獨存在；
（2）I/O緩衝區在建立套接字時自動生成；
（3）即使關閉套接字也會繼續傳送輸出緩衝區中遺留的資料；
（4）關閉套接字將丟失輸入緩衝區中的資料。

輸入輸出緩衝區的預設大小一般都是 8K，可以通過 getsockopt() 函式獲取：

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
對於TCP套接字（預設情況下），當使用 write()/send() 傳送資料時：

1) 首先會檢查緩衝區，如果緩衝區的可用空間長度小於要傳送的資料，那麼 write()/send() 會被阻塞（暫停執行），直到緩衝區中的資料被髮送到目標機器，騰出足夠的空間，才喚醒 write()/send() 函式繼續寫入資料。
2) 如果TCP協議正在向網路傳送資料，那麼輸出緩衝區會被鎖定，不允許寫入，write()/send() 也會被阻塞，直到資料傳送完畢緩衝區解鎖，write()/send() 才會被喚醒。
3) 如果要寫入的資料大於緩衝區的最大長度，那麼將分批寫入。
4) 直到所有資料被寫入緩衝區 write()/send() 才能返回。

當使用 read()/recv() 讀取資料時：

1) 首先會檢查緩衝區，如果緩衝區中有資料，那麼就讀取，否則函式會被阻塞，直到網路上有資料到來。
2) 如果要讀取的資料長度小於緩衝區中的資料長度，那麼就不能一次性將緩衝區中的所有資料讀出，剩餘資料將不斷積壓，直到有 read()/recv() 函式再次讀取。
3) 直到讀取到資料後 read()/recv() 函式才會返回，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後才能繼續，以保持同步性。

TCP套接字預設情況下是阻塞模式

作者：yongfutian
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來源：簡書