理解 TCP （六）：网络编程接口

更好阅读体验：《理解 TCP 和 UDP》— By Gitbook

一切皆 Socket

我们已经知道网络中的进程是通过 socket 来通信的，那什么是 socket 呢？
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「open → write/read → close」模式来操作。
socket 其实就是该模式的一个实现，socket 即是一种特殊的文件，一些 socket 函数就是对其进行的操作。

使用 TCP/IP 协议的应用程序通常采用系统提供的编程接口：UNIX BSD 的套接字接口（Socket Interfaces）
以此来实现网络进程之间的通信。
就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用 socket，所以说现在的网络时代，网络中进程通信是无处不在，一切皆 socket

套接字接口 Socket Interfaces

套接字接口是一组函数，由操作系统提供，用以创建网络应用。
大多数现代操作系统都实现了套接字接口，包括所有 Unix 变种，Windows 和 Macintosh 系统。

套接字接口的起源
套接字接口是加州大学伯克利分校的研究人员在 20 世纪 80 年代早起提出的。
伯克利的研究者使得套接字接口适用于任何底层的协议，第一个实现就是针对 TCP/IP 协议，他们把它包括在 Unix 4.2 BSD 的内核里，并且分发给许多学校和实验室。
这在因特网的历史成为了一个重大事件。
—— 《深入理解计算机系统》

从 Linux 内核的角度来看，一个套接字就是通信的一个端点。
从 Linux 程序的角度来看，套接字是一个有相应描述符的文件。
普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而 socket() 用于创建一个 socket 描述符，唯一标识一个 socket。
这个 socket 描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些操作。

常用的函数有：

• socket()
• bind()
• listen()
• connect()
• accept()
• write()
• read()
• close()

Socket 的交互流程

socket 交互过程.png

图中展示了 TCP 协议的 socket 交互流程，描述如下：

1. 服务器根据地址类型、socket 类型、以及协议来创建 socket。
2. 服务器为 socket 绑定 IP 地址和端口号。
3. 服务器 socket 监听端口号请求，随时准备接收客户端发来的连接，这时候服务器的 socket 并没有全部打开。
4. 客户端创建 socket。
5. 客户端打开 socket，根据服务器 IP 地址和端口号试图连接服务器 socket。
6. 服务器 socket 接收到客户端 socket 请求，被动打开，开始接收客户端请求，知道客户端返回连接信息。这时候 socket 进入阻塞状态，阻塞是由于 accept() 方法会一直等到客户端返回连接信息后才返回，然后开始连接下一个客户端的连接请求。
7. 客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息。
8. 服务器 accept() 方法返回，连接成功。
9. 服务器和客户端通过网络 I/O 函数进行数据的传输。
10. 客户端关闭 socket。
11. 服务器关闭 socket。

这个过程中，服务器和客户端建立连接的部分，就体现了 TCP 三次握手的原理。

下面详细讲一下 socket 的各函数。

Socket 接口

socket 是系统提供的接口，而操作系统大多数都是用 C/C++ 开发的，自然函数库也是 C/C++ 代码。

socket 函数

该函数会返回一个套接字描述符（socket descriptor），但是该描述符仅是部分打开的，还不能用于读写。
如何完成打开套接字的工作，取决于我们是客户端还是服务器。

函数原型