socket编程知识详解

什么是 socket？
socket 的原意是“插座”，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的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有哪些类型？
socket可以分为两种类型： SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM

SOCK_STREAM：流格式套接字，也叫面向连接的套接字，是一种可靠的双向通信的通信数据流，使用的是TCP协议

SOCK_DGRAM：数据报格式套接字，也叫无连接的套接字，使用的UDP协议

socket和tcpip协议的关系
我们所说的 socket 编程，是站在传输层的基础上，所以可以使用 TCP/UDP 协议，但是不能干「访问网页」这样的事情，因为访问网页所需要的 http 协议位于应用层。
TCP 用来确保数据的正确性，IP（Internet Protocol，网络协议）用来控制数据如何从源头到达目的地，也就是常说的“路由”

IP、MAC和端口号——网络通信中确认身份信息的三要素
一台电脑可以拥有一个独立的IP, 但是由于IP资源短缺，往往情况是一个局域网使用一个IP, 所以我们在网络通信时要定位某一台设备除了IP地址外还需要MAC地址来确认。有了IP和MAC可以定位一台设备，但是无法将数据发送到特定的程序上面去，因此需要端口号来定位是发给QQ的消息还是微信的消息。

socket连接建立过程：
服务端：
1、创建一个socket
创建时需要确定使用IPv4还是IPv6，使用何种套接字（SOCK_STREAM或者SOCK_DGRAM），以及使用何种网络层协议（udp还是tcp）；
2、将套接字和IP、端口绑定；
使用bind() 函数让套接字与特定的IP地址和端口对应起来，这样客户端才能连接到该套接字。
3、进入监听状态，等待用户发起请求；
让套接字处于被动监听状态，所谓被动监听是指套接字一直处于睡眠状态，知道客户端发起连接；
4、接收客户端请求
程序一旦执行到 accept() 就会被阻塞（暂停运行），直到客户端发起请求；

客户端：
1、创建一个socket， 创建方法同服务器
2、向服务器（特定的IP和端口）发起请求
通过connect向特定的ip和端口发起连接请求

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。

这些I/O缓冲区特性可整理如下：
I/O缓冲区在每个TCP套接字中单独存在；
I/O缓冲区在创建套接字时自动生成；
即使关闭套接字也会继续传送输出缓冲区中遗留的数据；
关闭套接字将丢失输入缓冲区中的数据。

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协议的粘包问题（数据的无边界性）
上面我们讲到了socket缓冲区和数据的传递过程，可以看到数据的接收和发送是无关的，read()/recv() 函数不管数据发送了多少次，都会尽可能多的接收数据。也就是说，read()/recv() 和 write()/send() 的执行次数可能不同。

例如，write()/send() 重复执行三次，每次都发送字符串"abc"，那么目标机器上的 read()/recv() 可能分三次接收，每次都接收"abc"；也可能分两次接收，第一次接收"abcab"，第二次接收"cabc"；也可能一次就接收到字符串"abcabcabc"。

假设我们希望客户端每次发送一位学生的学号，让服务器端返回该学生的姓名、住址、成绩等信息，这时候可能就会出现问题，服务器端不能区分学生的学号。例如第一次发送 1，第二次发送 3，服务器可能当成 13 来处理，返回的信息显然是错误的。

这就是数据的“粘包”问题，客户端发送的多个数据包被当做一个数据包接收。也称数据的无边界性，read()/recv() 函数不知道数据包的开始或结束标志（实际上也没有任何开始或结束标志），只把它们当做连续的数据流来处理。

TCP数据报结构以及三次握手
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。”

TCP数据报结构
我们先来看一下TCP数据报的结构：

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

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：

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。

这个时候，客户端开始发起请求：

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。

TCP四次握手断开连接

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？
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。

UDP协议
udp不像tcp，无需在连接状态下交换数据，因此基于udp的服务器和客户端也无需经过连接过程，也就是说不必调用listen()和accept()

虽然不需要连接，但是在服务端和客户端仍都需要创建socket。tcp中socket是一对一的，在创建时服务端需要将地址和端口号绑定到socket上，客户端在连接时需要制定特定的ip和端口号才能连接。如果要向10个客户端提供服务，那么除了负责监听的套接字以外，还需要创建10个套接字。
但是udp中服务器和客户端都只需建立一个套接字，udp通信类似于邮寄包裹，负责邮寄包裹的快递公司就是udp套接字，只要有一个快递公司就可以向任意一个地址邮寄包裹，但是每一个快递都需要注明收件地址。