03 套接字和地址

在网络编程中,我们经常会提到 socket 这个词,它的中文翻译为套接字,有的时候也叫做套接口。

socket 这个英文单词的原意是“插口”“插槽”, 在网络编程中,它的寓意是可以通过插口接入的方式,快速完成网络连接和数据收发。你可以把它想象成现实世界的电源插口,或者是早期上网需要的网络插槽,所以 socket 也可以看做是对物理世界的直接映射。

其实计算机程序设计是一门和英文有着紧密联系的学科,很多专有名词使用英文原词比翻译成中文更容易让大家接受。为了方便,在专栏里我们一般会直接使用英文,如果需要翻译就一律用“套接字”这个翻译。

socket 到底是什么?

在网络编程中,到底应该怎么理解 socket 呢?我在这里先呈上这么一张图,你可以先看看。

socket是什么

这张图表达的其实是网络编程中,客户端和服务器工作的核心逻辑。

我们先从右侧的服务器端开始看,因为在客户端发起连接请求之前,服务器端必须初始化好。右侧的图显示的是服务器端初始化的过程,首先初始化 socket,之后服务器端需要执行 bind 函数,将自己的服务能力绑定在一个众所周知的地址和端口上,紧接着,服务器端执行 listen 操作,将原先的 socket 转化为服务端的 socket,服务端最后阻塞在 accept 上等待客户端请求的到来。

此时,服务器端已经准备就绪。客户端需要先初始化 socket,再执行 connect 向服务器端的地址和端口发起连接请求,这里的地址和端口必须是客户端预先知晓的。这个过程,就是著名的 TCP 三次握手(Three-way Handshake)。下一篇文章,我会详细讲到 TCP 三次握手的原理。

一旦三次握手完成,客户端和服务器端建立连接,就进入了数据传输过程。

具体来说,客户端进程向操作系统内核发起 write 字节流写操作,内核协议栈将字节流通过网络设备传输到服务器端,服务器端从内核得到信息,将字节流从内核读入到进程中,并开始业务逻辑的处理,完成之后,服务器端再将得到的结果以同样的方式写给客户端。可以看到,一旦连接建立,数据的传输就不再是单向的,而是双向的,这也是 TCP 的一个显著特性。

当客户端完成和服务器端的交互后,比如执行一次 Telnet 操作,或者一次 HTTP 请求,需要和服务器端断开连接时,就会执行 close 函数,操作系统内核此时会通过原先的连接链路向服务器端发送一个 FIN 包,服务器收到之后执行被动关闭,这时候整个链路处于半关闭状态,此后,服务器端也会执行 close 函数,整个链路才会真正关闭。半关闭的状态下,发起 close 请求的一方在没有收到对方 FIN 包之前都认为连接是正常的;而在全关闭的状态下,双方都感知连接已经关闭。

请你牢牢记住文章开头的那幅图,它是贯穿整个专栏的核心图之一。

讲这幅图的真正用意在于引入 socket 的概念,请注意,以上所有的操作,都是通过 socket 来完成的。无论是客户端的 connect,还是服务端的 accept,或者 read/write 操作等,socket 是我们用来建立连接,传输数据的唯一途径。

更好地理解 socket:一个更直观的解释

你可以把整个 TCP 的网络交互和数据传输想象成打电话,顺着这个思路想象,socket 就好像是我们手里的电话机,connect 就好比拿着电话机拨号,而服务器端的 bind 就好比是去电信公司开户,将电话号码和我们家里的电话机绑定,这样别人就可以用这个号码找到你,listen 就好似人们在家里听到了响铃,accept 就好比是被叫的一方拿起电话开始应答。至此,三次握手就完成了,连接建立完毕。

接下来,拨打电话的人开始说话:“你好。”这时就进入了 write,接收电话的人听到的过程可以想象成 read(听到并读出数据),并且开始应答,双方就进入了 read/write 的数据传输过程。

最后,拨打电话的人完成了此次交流,挂上电话,对应的操作可以理解为 close,接听电话的人知道对方已挂机,也挂上电话,也是一次 close。

在整个电话交流过程中,电话是我们可以和外面通信的设备,对应到网络编程的世界里,socket 也是我们可以和外界进行网络通信的途径。

socket 的发展历史

通过上面的讲解和这个打电话的类比,你现在清楚 socket 到底是什么了吧?那 socket 最开始是怎么被提出来的呢?接下来就很有必要一起来简单追溯一下它的历史了。

socket 是加州大学伯克利分校的研究人员在 20 世纪 80 年代早期提出的,所以也被叫做伯克利套接字。伯克利的研究者们设想用 socket 的概念,屏蔽掉底层协议栈的差别。第一版实现 socket 的就是 TCP/IP 协议,最早是在 BSD 4.2 Unix 内核上实现了 socket。很快大家就发现这么一个概念带来了网络编程的便利,于是有更多人也接触到了 socket 的概念。Linux 作为 Unix 系统的一个开源实现,很早就从头开发实现了 TCP/IP 协议,伴随着 socket 的成功,Windows 也引入了 socket 的概念。于是在今天的世界里,socket 成为网络互联互通的标准。

套接字地址格式

在使用套接字时,首先要解决通信双方寻址的问题。我们需要套接字的地址建立连接,就像打电话时首先需要查找电话簿,找到你想要联系的那个人,你才可以建立连接,开始交流。接下来,我们重点讨论套接字的地址格式。

通用套接字地址格式

下面先看一下套接字的通用地址结构:

/* POSIX.1g 规范规定了地址族为2字节的值.  */
typedef unsigned short int sa_family_t;
/* 描述通用套接字地址  */
struct sockaddr{
    sa_family_t sa_family;  /* 地址族.  16-bit*/
    char sa_data[14];   /* 具体的地址值 112-bit */
  }; 

在这个结构体里,第一个字段是地址族,它表示使用什么样的方式对地址进行解释和保存,好比电话簿里的手机格式,或者是固话格式,这两种格式的长度和含义都是不同的。地址族在 glibc 里的定义非常多,常用的有以下几种:

-- AF_LOCAL:表示的是本地地址,对应的是 Unix 套接字,这种情况一般用于本地 socket 通信,很多情况下也可以写成 AF_UNIX、AF_FILE;

  • AF_INET:因特网使用的 IPv4 地址;

  • AF_INET6:因特网使用的 IPv6 地址。

这里的 AF_ 表示的含义是 Address Family,但是很多情况下,我们也会看到以 PF_ 表示的宏,比如 PF_INET、PF_INET6 等,实际上 PF_ 的意思是 Protocol Family,也就是协议族的意思。我们用 AF_xxx 这样的值来初始化 socket 地址,用 PF_xxx 这样的值来初始化 socket。我们在 头文件中可以清晰地看到,这两个值本身就是一一对应的。

/* 各种地址族的宏定义  */
#define AF_UNSPEC PF_UNSPEC
#define AF_LOCAL  PF_LOCAL
#define AF_UNIX   PF_UNIX
#define AF_FILE   PF_FILE
#define AF_INET   PF_INET
#define AF_AX25   PF_AX25
#define AF_IPX    PF_IPX
#define AF_APPLETALK  PF_APPLETALK
#define AF_NETROM PF_NETROM
#define AF_BRIDGE PF_BRIDGE
#define AF_ATMPVC PF_ATMPVC
#define AF_X25    PF_X25
#define AF_INET6  PF_INET6

sockaddr 是一个通用的地址结构,通用的意思是适用于多种地址族。为什么定义这么一个通用地址结构呢,这个放在后面讲。

IPv4 套接字格式地址

接下来,看一下常用的 IPv4 地址族的结构:

/* IPV4套接字地址,32bit值.  */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
  {
    in_addr_t s_addr;
  };
  
/* 描述IPV4的套接字地址格式  */
struct sockaddr_in
  {
    sa_family_t sin_family; /* 16-bit */
    in_port_t sin_port;     /* 端口口  16-bit*/
    struct in_addr sin_addr;    /* Internet address. 32-bit */


    /* 这里仅仅用作占位符,不做实际用处  */
    unsigned char sin_zero[8];
  };

我们对这个结构体稍作解读,首先可以发现和 sockaddr 一样,都有一个 16-bit 的 sin_family 字段,对于 IPv4 来说这个值就是 AF_INET。

接下来是端口号,我们可以看到端口号最多是 16-bit,也就是说最大支持 2 的 16 次方,这个数字是 65536,所以我们应该知道支持寻址的端口号最多就是 65535。关于端口,我在前面的章节也提到过,这里重点阐述一下保留端口。所谓保留端口就是大家约定俗成的,已经被对应服务广为使用的端口,比如 ftp 的 21 端口,ssh 的 22 端口,http 的 80 端口等。一般而言,大于 5000 的端口可以作为我们自己应用程序的端口使用。

下面是 glibc 定义的保留端口。


/* Standard well-known ports.  */
enum
  {
    IPPORT_ECHO = 7,    /* Echo service.  */
    IPPORT_DISCARD = 9,   /* Discard transmissions service.  */
    IPPORT_SYSTAT = 11,   /* System status service.  */
    IPPORT_DAYTIME = 13,  /* Time of day service.  */
    IPPORT_NETSTAT = 15,  /* Network status service.  */
    IPPORT_FTP = 21,    /* File Transfer Protocol.  */
    IPPORT_TELNET = 23,   /* Telnet protocol.  */
    IPPORT_SMTP = 25,   /* Simple Mail Transfer Protocol.  */
    IPPORT_TIMESERVER = 37, /* Timeserver service.  */
    IPPORT_NAMESERVER = 42, /* Domain Name Service.  */
    IPPORT_WHOIS = 43,    /* Internet Whois service.  */
    IPPORT_MTP = 57,
    IPPORT_TFTP = 69,   /* Trivial File Transfer Protocol.  */
    IPPORT_RJE = 77,
    IPPORT_FINGER = 79,   /* Finger service.  */
    IPPORT_TTYLINK = 87,
    IPPORT_SUPDUP = 95,   /* SUPDUP protocol.  */


    IPPORT_EXECSERVER = 512,  /* execd service.  */
    IPPORT_LOGINSERVER = 513, /* rlogind service.  */
    IPPORT_CMDSERVER = 514,
    IPPORT_EFSSERVER = 520,

    /* UDP ports.  */
    IPPORT_BIFFUDP = 512,
    IPPORT_WHOSERVER = 513,
    IPPORT_ROUTESERVER = 520,

    /* Ports less than this value are reserved for privileged processes.  */
    IPPORT_RESERVED = 1024,


    /* Ports greater this value are reserved for (non-privileged) servers.  */
    IPPORT_USERRESERVED = 5000

实际的 IPv4 地址是一个 32-bit 的字段,可以想象最多支持的地址数就是 2 的 32 次方,大约是 42 亿,应该说这个数字在设计之初还是非常巨大的,无奈互联网蓬勃发展,全球接入的设备越来越多,这个数字渐渐显得不太够用了,于是大家所熟知的 IPv6 就隆重登场了。

IPv6 套接字地址格式

我们再看看 IPv6 的地址结构:

struct sockaddr_in6
  {
    sa_family_t sin6_family; /* 16-bit */
    in_port_t sin6_port;  /* 传输端口号 # 16-bit */
    uint32_t sin6_flowinfo; /* IPv6流控信息 32-bit*/
    struct in6_addr sin6_addr;  /* IPv6地址128-bit */
    uint32_t sin6_scope_id; /* IPv6域ID 32-bit */
  };

整个结构体长度是 28 个字节,其中流控信息和域 IP 先不用管,这两个字段,一个在 glibc 的官网上根本没出现,另一个是当前未使用的字段。这里的地址族显然应该是 AF_INET6,端口同 IPv4 地址一样,关键的地址从 32 位升级到 128 位,这个数字就大到恐怖了,完全解决了寻址数字不够的问题。

请注意,以上无论 IPv4 还是 IPv6 的地址格式都是因特网套接字的格式,还有一种本地套接字格式,用来做为本地进程间的通信, 也就是前面提到的 AF_LOCAL。

struct sockaddr_un {
    unsigned short sun_family; /* 固定为 AF_LOCAL */
    char sun_path[108];   /* 路径名 */
};

几种套接字地址格式比较

这几种地址的比较见下图,IPv4 和 IPv6 套接字地址结构的长度是固定的,而本地地址结构的长度是可变的。

套接字地址格式比较

总结

这一讲我们重点讲述了什么是套接字,以及对应的套接字地址格式。套接字作为网络编程的基础,概念异常重要。套接字的设计为我们打开了网络编程的大门,实际上,正是因为 BSD 套接字如此成功,各大 Unix 厂商(包括开源的 Linux)以及 Windows 平台才会很快照搬了过来。在下一讲中,我们将开始创建并使用套接字,建立连接,进一步开始我们的网络编程之旅。

思考题

问:想一想 IPv4、IPv6、本地套接字格式以及通用地址套接字,它们有什么共性呢?如果你是 BSD 套接字的设计者,你为什么要这样设计呢?
答:像sock_addr的结构体里描述的那样,几种套接字都要有地址族和地址两个字段。这容易理解,你要与外部通信,肯定要至少告诉计算机对方的地址和使用的是哪一种地址。与远程计算机的通信还需要一个端口号。而本地socket的不同之处在于不需要端口号,那么就有了问题2;

问:为什么本地套接字格式不需要端口号,而 IPv4 和 IPv6 套接字格式却需要端口号呢?
答:本地socket本质上是在访问本地的文件系统,所以自然不需要端口。远程socket是直接将一段字节流发送到远程计算机的一个进程,而远程计算机可能同时有多个进程在监听,所以用端口号标定要发给哪一个进程。

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