Socket

1、什么是Socket

在计算机通信领域,socket 被翻译为“套接字”,它是计算机之间进行通信一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定,一台计算机可以接收其他计算机的数据,也可以向其他计算机发送数据
  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。
  我的理解就是Socket就是该模式的一个实现:即socket是一种特殊的文件,一些socket函数就是对其进行的操作(读/写IO、打开、关闭)。
  Socket()函数返回一个整型的Socket描述符,随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

2、网络中进程如何通信

既然Socket主要是用来解决网络通信的,那么我们就来理解网络中进程是如何通信的。

2.1、本地进程间通信

a、消息传递(管道、消息队列、FIFO)
  b、同步(互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量)
  c、共享内存(匿名的和具名的,eg:channel)
  d、远程过程调用(RPC)

2.2、网络中进程如何通信

我们要理解网络中进程如何通信,得解决两个问题:
  a、我们要如何标识一台主机,即怎样确定我们将要通信的进程是在那一台主机上运行。
  b、我们要如何标识唯一进程,本地通过pid标识,网络中应该怎样标识?
解决办法:
  a、TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题,网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机
  b、传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序(进程),因此,我们利用三元组(ip地址,协议,端口)就可以标识网络的进程了,网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互

3、Socket怎么通信

现在,我们知道了网络中进程间如何通信,即利用三元组【ip地址,协议,端口】可以进行网络间通信了,那我们应该怎么实现了,因此,我们socket应运而生,它就是利用三元组解决网络通信的一个中间件工具,就目前而言,几乎所有的应用程序都是采用socket,如UNIX BSD的套接字(socket)和UNIX System V的TLI(已经被淘汰)。
Socket通信的数据传输方式,常用的有两种:
  a、SOCK_STREAM:表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机,如果损坏或丢失,可以重新发送,但效率相对较慢。常见的 http 协议就使用 SOCK_STREAM 传输数据,因为要确保数据的正确性,否则网页不能正常解析。
  b、SOCK_DGRAM:表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据,不作数据校验,如果数据在传输中损坏,或者没有到达另一台计算机,是没有办法补救的。也就是说,数据错了就错了,无法重传。因为 SOCK_DGRAM 所做的校验工作少,所以效率比 SOCK_STREAM 高。
  例如:QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 传输数据,因为首先要保证通信的效率,尽量减小延迟,而数据的正确性是次要的,即使丢失很小的一部分数据,视频和音频也可以正常解析,最多出现噪点或杂音,不会对通信质量有实质的影响

4、TCP/IP协议

4.1、概念

TCP/IP【TCP(传输控制协议)和IP(网际协议)】提供点对点的链接机制,将数据应该如何封装、定址、传输、路由以及在目的地如何接收,都加以标准化。它将软件通信过程抽象化为四个抽象层,采取协议堆栈的方式,分别实现出不同通信协议。协议族下的各种协议,依其功能不同,被分别归属到这四个层次结构之中,常被视为是简化的七层OSI模型。

它们之间好比送信的线路和驿站的作用,比如要建议送信驿站,必须得了解送信的各个细节。

TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议,数据在传输前要建立连接,传输完毕后还要断开连接,客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接。建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误,为数据的传输开辟通道。
TCP建立连接时要传输三个数据包,俗称三次握手(Three-way Handshaking)。可以形象的比喻为下面的对话:

[Shake 1] 套接字A:“你好,套接字B,我这里有数据要传送给你,建立连接吧。”
[Shake 2] 套接字B:“好的,我这边已准备就绪。”
[Shake 3] 套接字A:“谢谢你受理我的请求。

4.2、TCP的粘包问题以及数据的无边界性: https://blog.csdn.net/m0_37947204/article/details/80490512

4.4、TCP数据报结构:

https://wx1.sinaimg.cn/large/0077qBLuly1h0z6adt7r6j30a908cmxq.jpg

带阴影的几个字段需要重点说明一下:
  (1) 序号:Seq(Sequence Number)序号占32位,用来标识从计算机A发送到计算机B的数据包的序号,计算机发送数据时对此进行标记。
  (2) 确认号:Ack(Acknowledge Number)确认号占32位,客户端和服务器端都可以发送,Ack = Seq + 1。
  (3) 标志位:每个标志位占用1Bit,共有6个,分别为 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN,具体含义如下:

(1)URG:紧急指针(urgent pointer)有效。
(2)ACK:确认序号有效。
(3)PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
(4)RST:重置连接。
(5)SYN:建立一个新连接。
(6)FIN:断开一个连接。

4.5、连接的建立(三次握手):

使用 connect() 建立连接时,客户端和服务器端会相互发送三个数据包,请看下图:

  

20180529001324885.jpeg

客户端调用 socket() 函数创建套接字后,因为没有建立连接,所以套接字处于CLOSED状态;服务器端调用 listen() 函数后,套接字进入LISTEN状态,开始监听客户端请求
这时客户端发起请求:
  1) 当客户端调用 connect() 函数后,TCP协议会组建一个数据包,并设置 SYN 标志位,表示该数据包是用来建立同步连接的。同时生成一个随机数字 1000,填充“序号(Seq)”字段,表示该数据包的序号。完成这些工作,开始向服务器端发送数据包,客户端就进入了SYN-SEND状态。
  2) 服务器端收到数据包,检测到已经设置了 SYN 标志位,就知道这是客户端发来的建立连接的“请求包”。服务器端也会组建一个数据包,并设置 SYN 和 ACK 标志位,SYN 表示该数据包用来建立连接,ACK 用来确认收到了刚才客户端发送的数据包
  服务器生成一个随机数 2000,填充“序号(Seq)”字段。2000 和客户端数据包没有关系。
  服务器将客户端数据包序号(1000)加1,得到1001,并用这个数字填充“确认号(Ack)”字段。
  服务器将数据包发出,进入SYN-RECV状态
  3) 客户端收到数据包,检测到已经设置了 SYN 和 ACK 标志位,就知道这是服务器发来的“确认包”。客户端会检测“确认号(Ack)”字段,看它的值是否为 1000+1,如果是就说明连接建立成功。
  接下来,客户端会继续组建数据包,并设置 ACK 标志位,表示客户端正确接收了服务器发来的“确认包”。同时,将刚才服务器发来的数据包序号(2000)加1,得到 2001,并用这个数字来填充“确认号(Ack)”字段。
  客户端将数据包发出,进入ESTABLISED状态,表示连接已经成功建立。
  4) 服务器端收到数据包,检测到已经设置了 ACK 标志位,就知道这是客户端发来的“确认包”。服务器会检测“确认号(Ack)”字段,看它的值是否为 2000+1,如果是就说明连接建立成功,服务器进入ESTABLISED状态。
  至此,客户端和服务器都进入了ESTABLISED状态,连接建立成功,接下来就可以收发数据了。

4.6、TCP四次握手断开连接

建立连接非常重要,它是数据正确传输的前提;断开连接同样重要,它让计算机释放不再使用的资源。如果连接不能正常断开,不仅会造成数据传输错误,还会导致套接字不能关闭,持续占用资源,如果并发量高,服务器压力堪忧。
断开连接需要四次握手,可以形象的比喻为下面的对话:

[Shake 1] 套接字A:“任务处理完毕,我希望断开连接。”
[Shake 2] 套接字B:“哦,是吗?请稍等,我准备一下。”
等待片刻后……
[Shake 3] 套接字B:“我准备好了,可以断开连接了。”
[Shake 4] 套接字A:“好的,谢谢合作。”

下图演示了客户端主动断开连接的场景:

https://wx1.sinaimg.cn/large/0077qBLuly1h0z6av92r0j30c60cvt9x.jpg 建立连接后,客户端和服务器都处于ESTABLISED状态。这时,客户端发起断开连接的请求:

  1. 客户端调用 close() 函数后,向服务器发送 FIN 数据包,进入FIN_WAIT_1状态。FIN 是 Finish 的缩写,表示完成任务需要断开连接。
  2. 服务器收到数据包后,检测到设置了 FIN 标志位,知道要断开连接,于是向客户端发送“确认包”,进入CLOSE_WAIT状态。
    注意:服务器收到请求后并不是立即断开连接,而是先向客户端发送“确认包”,告诉它我知道了,我需要准备一下才能断开连接。
  3. 客户端收到“确认包”后进入FIN_WAIT_2状态,等待服务器准备完毕后再次发送数据包。
  4. 等待片刻后,服务器准备完毕,可以断开连接,于是再主动向客户端发送 FIN 包,告诉它我准备好了,断开连接吧。然后进入LAST_ACK状态。
  5. 客户端收到服务器的 FIN 包后,再向服务器发送 ACK 包,告诉它你断开连接吧。然后进入TIME_WAIT状态。
  6. 服务器收到客户端的 ACK 包后,就断开连接,关闭套接字,进入CLOSED状态。

4.7、关于 TIME_WAIT 状态的说明

客户端最后一次发送 ACK包后进入 TIME_WAIT 状态,而不是直接进入 CLOSED 状态关闭连接,这是为什么呢?

TCP 是面向连接的传输方式,必须保证数据能够正确到达目标机器,不能丢失或出错,而网络是不稳定的,随时可能会毁坏数据,所以机器A每次向机器B发送数据包后,都要求机器B”确认“,回传ACK包,告诉机器A我收到了,这样机器A才能知道数据传送成功了。如果机器B没有回传ACK包,机器A会重新发送,直到机器B回传ACK包。

客户端最后一次向服务器回传ACK包时,有可能会因为网络问题导致服务器收不到,服务器会再次发送 FIN 包,如果这时客户端完全关闭了连接,那么服务器无论如何也收不到ACK包了,所以客户端需要等待片刻、确认对方收到ACK包后才能进入CLOSED状态。那么,要等待多久呢?

数据包在网络中是有生存时间的,超过这个时间还未到达目标主机就会被丢弃,并通知源主机。这称为报文最大生存时间(MSL,Maximum Segment Lifetime)。TIME_WAIT 要等待 2MSL 才会进入 CLOSED 状态。ACK 包到达服务器需要 MSL 时间,服务器重传 FIN 包也需要 MSL 时间,2MSL 是数据包往返的最大时间,如果 2MSL 后还未收到服务器重传的 FIN 包,就说明服务器已经收到了 ACK 包

4.8.优雅的断开连接–shutdown()

close()/closesocket()和shutdown()的区别
确切地说,close() / closesocket() 用来关闭套接字,将套接字描述符(或句柄)从内存清除,之后再也不能使用该套接字,与C语言中的 fclose() 类似。应用程序关闭套接字后,与该套接字相关的连接和缓存也失去了意义,TCP协议会自动触发关闭连接的操作。

shutdown() 用来关闭连接,而不是套接字,不管调用多少次 shutdown(),套接字依然存在,直到调用 close() / closesocket() 将套接字从内存清除。
调用 close()/closesocket() 关闭套接字时,或调用 shutdown() 关闭输出流时,都会向对方发送 FIN 包。FIN 包表示数据传输完毕,计算机收到 FIN 包就知道不会再有数据传送过来了。

默认情况下,close()/closesocket() 会立即向网络中发送FIN包,不管输出缓冲区中是否还有数据,而shutdown() 会等输出缓冲区中的数据传输完毕再发送FIN包。也就意味着,调用 close()/closesocket() 将丢失输出缓冲区中的数据,而调用 shutdown() 不会

5、OSI模型

TCP/IP对OSI的网络模型层进行了划分如下:

https://wx1.sinaimg.cn/large/0077qBLuly1h0z6b5rytuj30az08m0v0.jpg

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
  每一抽象层建立在低一层提供的服务上,并且为高一层提供服务,看起来大概是这样子的

   https://wx1.sinaimg.cn/large/0077qBLuly1h0z6baokdgj30f0094js6.jpg https://wx1.sinaimg.cn/large/0077qBLuly1h0z6bhcenhj30h00dr40p.jpg

6、Socket常用函数接口及其原理

图解socket函数:

https://wx1.sinaimg.cn/large/0077qBLuly1h0z6blvucaj30fe09340o.jpg

https://wx1.sinaimg.cn/large/0077qBLuly1h0z6bp6a0bj30da0dn0ty.jpg

6.1、使用socket()函数创建套接字

int socket(int af, int type, int protocol);
  1. af 为地址族(Address Family),也就是 IP 地址类型,常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写,INET是“Inetnet”的简写。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。
    大家需要记住127.0.0.1,它是一个特殊IP地址,表示本机地址,后面的教程会经常用到。
  2. type 为数据传输方式,常用的有 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM
  3. protocol 表示传输协议,常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP,分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议

6.2、使用bind()和connect()函数

socket() 函数用来创建套接字,确定套接字的各种属性,然后服务器端要用 bind() 函数将套接字与特定的IP地址和端口绑定起来,只有这样,流经该IP地址和端口的数据才能交给套接字处理;而客户端要用 connect() 函数建立连接

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

sock 为 socket 文件描述符,addr 为 sockaddr 结构体变量的指针,addrlen 为 addr 变量的大小,可由 sizeof() 计算得出
下面的代码,将创建的套接字与IP地址 127.0.0.1、端口 1234 绑定:

//创建套接字
int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用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");  //具体的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口
//将套接字和IP、端口绑定
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

connect() 函数用来建立连接,它的原型为:

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

6.3、使用listen()和accept()函数

于服务器端程序,使用 bind() 绑定套接字后,还需要使用 listen() 函数让套接字进入被动监听状态,再调用 accept() 函数,就可以随时响应客户端的请求了。
通过** listen() 函数**可以让套接字进入被动监听状态,它的原型为:

int listen(int sock, int backlog); 

sock 为需要进入监听状态的套接字,backlog 为请求队列的最大长度。
所谓被动监听,是指当没有客户端请求时,套接字处于“睡眠”状态,只有当接收到客户端请求时,套接字才会被“唤醒”来响应请求。

请求队列
当套接字正在处理客户端请求时,如果有新的请求进来,套接字是没法处理的,只能把它放进缓冲区,待当前请求处理完毕后,再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来,它们就按照先后顺序在缓冲区中排队,直到缓冲区满。这个缓冲区,就称为请求队列(Request Queue)。

缓冲区的长度(能存放多少个客户端请求)可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定,但究竟为多少并没有什么标准,可以根据你的需求来定,并发量小的话可以是10或者20。

如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN,就由系统来决定请求队列长度,这个值一般比较大,可能是几百,或者更多。

当请求队列满时,就不再接收新的请求,对于 Linux,客户端会收到 ECONNREFUSED 错误

注意:listen() 只是让套接字处于监听状态,并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。

当套接字处于监听状态时,可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。它的原型为:

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

它的参数与 listen() 和 connect() 是相同的:sock 为服务器端套接字,addr 为 sockaddr_in 结构体变量,addrlen 为参数 addr 的长度,可由 sizeof() 求得。

accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信,addr 保存了客户端的IP地址和端口号,而 sock 是服务器端的套接字,大家注意区分。后面和客户端通信时,要使用这个新生成的套接字,而不是原来服务器端的套接字。

最后需要说明的是:listen() 只是让套接字进入监听状态,并没有真正接收客户端请求,listen() 后面的代码会继续执行,直到遇到 accept()。accept() 会阻塞程序执行(后面代码不能被执行),直到有新的请求到来。

6.4、socket数据的接收和发送

Linux下数据的接收和发送
Linux 不区分套接字文件和普通文件,使用 write() 可以向套接字中写入数据,使用 read() 可以从套接字中读取数据。

前面我们说过,两台计算机之间的通信相当于两个套接字之间的通信,在服务器端用 write() 向套接字写入数据,客户端就能收到,然后再使用 read() 从套接字中读取出来,就完成了一次通信。
write() 的原型为:

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

fd 为要写入的文件的描述符,buf 为要写入的数据的缓冲区地址,nbytes 为要写入的数据的字节数。
write() 函数会将缓冲区 buf 中的 nbytes 个字节写入文件 fd,成功则返回写入的字节数,失败则返回 -1。
read() 的原型为:

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

fd 为要读取的文件的描述符,buf 为要接收数据的缓冲区地址,nbytes 为要读取的数据的字节数。

read() 函数会从 fd 文件中读取 nbytes 个字节并保存到缓冲区 buf,成功则返回读取到的字节数(但遇到文件结尾则返回0),失败则返回 -1。

6.5、socket缓冲区以及阻塞模式

socket缓冲区
每个 socket 被创建后,都会分配两个缓冲区,输入缓冲区和输出缓冲区。

write()/send() 并不立即向网络中传输数据,而是先将数据写入缓冲区中,再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区,函数就可以成功返回,不管它们有没有到达目标机器,也不管它们何时被发送到网络,这些都是TCP协议负责的事情。

TCP协议独立于 write()/send() 函数,数据有可能刚被写入缓冲区就发送到网络,也可能在缓冲区中不断积压,多次写入的数据被一次性发送到网络,这取决于当时的网络情况、当前线程是否空闲等诸多因素,不由程序员控制。

read()/recv() 函数也是如此,也从输入缓冲区中读取数据,而不是直接从网络中读取

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这些I/O缓冲区特性可整理如下:

(1)I/O缓冲区在每个TCP套接字中单独存在;
(2)I/O缓冲区在创建套接字时自动生成;
(3)即使关闭套接字也会继续传送输出缓冲区中遗留的数据;
(4)关闭套接字将丢失输入缓冲区中的数据。

输入输出缓冲区的默认大小一般都是 8K,可以通过 getsockopt() 函数获取:

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
对于TCP套接字(默认情况下),当使用 write()/send() 发送数据时:

1) 首先会检查缓冲区,如果缓冲区的可用空间长度小于要发送的数据,那么 write()/send() 会被阻塞(暂停执行),直到缓冲区中的数据被发送到目标机器,腾出足够的空间,才唤醒 write()/send() 函数继续写入数据。
2) 如果TCP协议正在向网络发送数据,那么输出缓冲区会被锁定,不允许写入,write()/send() 也会被阻塞,直到数据发送完毕缓冲区解锁,write()/send() 才会被唤醒。
3) 如果要写入的数据大于缓冲区的最大长度,那么将分批写入。
4) 直到所有数据被写入缓冲区 write()/send() 才能返回。

当使用 read()/recv() 读取数据时:

1) 首先会检查缓冲区,如果缓冲区中有数据,那么就读取,否则函数会被阻塞,直到网络上有数据到来。
2) 如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度,那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出,剩余数据将不断积压,直到有 read()/recv() 函数再次读取。
3) 直到读取到数据后 read()/recv() 函数才会返回,否则就一直被阻塞。
这就是TCP套接字的阻塞模式。所谓阻塞,就是上一步动作没有完成,下一步动作将暂停,直到上一步动作完成后才能继续,以保持同步性。

TCP套接字默认情况下是阻塞模式