Socket技术详解（⼀篇就够了）
Socket原理
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）？【不是很明⽩】
  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：　
4.4、TCP数据报结构：
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：
（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：
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：
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
报⽂最⼤⽣存时间进程通信方式
（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：
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

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