初步理解socket

最近研究下socket，發現自己還是有很多不明白的地方，索性沉下心來，從最基礎開始學習，開始看起，現在對自己的學習做下小小總結，以便和大家分享，如有謬誤，敬請指正。

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TCP/IP

在學習socket之前，先回顧下TCP/IP協議。

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即傳輸控制協議/網間協議，定義了主機如何連入因特網及數據如何再它們之間傳輸的標準，從字面意思來看TCP/IP是TCP和IP協議的合稱，但實際上TCP/IP協議是指因特網整個TCP/IP協議族。不同於ISO模型的七個分層，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、smtp、dns、telnet等
傳輸層：tcp和udp
網絡層：IP ICMP OSPF EIGRP IGMP
鏈路層：SLIP CSLIP PPP MTU

看圖說話：

在TCP/IP協議中兩個因特網主機通過兩個路由器和對應的層連接。各主機上的應用通過一些數據通道相互執行讀取操作：

socket

如何唯一標識一個進程
利用三元組:ip地址、協議、端口號。其實這是TCP/IP協議提供的解決方式，網絡層的ip地址可以唯一標識網絡中的主機。傳輸層的協議+端口可以唯一標識主機中的應用程序。

在能唯一標識進程後，就可以進行socket通信了，socket是基於unix的一種“open--write/read--close”模式的一種實現。它把TCP/IP層複雜的操作抽象爲幾個簡單的接口供應用層調用以實現進程在網絡中通信。

看圖說話：

注：socket起源於UNIX，在Unix一切皆文件哲學的思想下，socket是一種"打開—讀/寫—關閉"模式的實現，服務器和客戶端各自維護一個"文件"，在建立連接打開後，可以向自己文件寫入內容供對方讀取或者讀取對方內容，通訊結束時關閉文件。

socket的通信流程

socket是"打開—讀/寫—關閉"模式的實現，以使用TCP協議通訊的socket爲例，其交互流程大概是這樣子的

、

服務器根據地址類型（ipv4,ipv6）、socket類型、協議創建socket


服務器爲socket綁定ip地址和端口號


服務器socket監聽端口號請求，隨時準備接收客戶端發來的連接，這時候服務器的socket並沒有被打開


客戶端創建socket


客戶端打開socket，根據服務器ip地址和端口號試圖連接服務器socket


服務器socket接收到客戶端socket請求，被動打開，開始接收客戶端請求，直到客戶端返回連接信息。這時候socket進入阻塞狀態，所謂阻塞即accept()方法一直到客戶端返回連接信息後才返回，開始接收下一個客戶端諒解請求


客戶端連接成功，向服務器發送連接狀態信息


服務器accept方法返回，連接成功


客戶端向socket寫入信息


服務器讀取信息


客戶端關閉


服務器端關閉

有名的三次握手

在TCP/IP協議中，TCP協議通過三次握手建立一個可靠的連接：

第一次握手：客戶端嘗試連接服務器，向服務器發送syn包（同步序列編號Synchronize Sequence Numbers），syn=j，客戶端進入SYN_SEND狀態等待服務器確認


第二次握手：服務器接收客戶端syn包並確認（ack=j+1），同時向客戶端發送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時服務器進入SYN_RECV狀態


第三次握手：第三次握手：客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向服務器發送確認包ACK(ack=k+1），此包發送完畢，客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手


定眼一看，服務器socket與客戶端socket建立連接的部分其實就是大名鼎鼎的三次握手：

socket編程API

主要參考java api：

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

根據指定的地址族、數據類型和協議來分配一個socket的描述字及其所用的資源。
domain:協議族，常用的有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL、AF_ROUTE其中AF_INET代表使用ipv4地址
type:socket類型，常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等
protocol:協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等

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

把一個地址族中的特定地址賦給socket
sockfd:socket描述字，也就是socket引用
addr:要綁定給sockfd的協議地址
addrlen:地址的長度

通常服務器在啓動的時候都會綁定一個衆所周知的地址（如ip地址+端口號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是爲什麼通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

int listen(int sockfd, int backlog);

監聽socket

sockfd:要監聽的socket描述字
backlog:相應socket可以排隊的最大連接個數 

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

連接某個socket
sockfd:客戶端的socket描述字
addr:服務器的socket地址
addrlen:socket地址的長度

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

TCP服務器監聽到客戶端請求之後，調用accept()函數取接收請求
sockfd:服務器的socket描述字
addr:客戶端的socket地址
addrlen:socket地址的長度

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

讀取socket內容
fd:socket描述字
buf：緩衝區
count：緩衝區長度

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

向socket寫入內容，其實就是發送內容
fd:socket描述字
buf：緩衝區
count：緩衝區長度

int close(int fd);

socket標記爲以關閉 ，使相應socket描述字的引用計數-1，當引用計數爲0的時候，觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接請求。