关于网络编程:网络编程懒人入门十四到底什么是Socket一文即懂

本文由 cxuan 分享，原题“原来这才是 Socket”，有订正。

1、引言

本系列文章后面那些次要解说的是计算机网络的实践根底，但对于即时通讯 IM 这方面的应用层开发者来说，跟计算机网络打道的其实是各种 API 接口。

本篇文章就来聊一下网络应用程序员最相熟的 Socket 这个货色，抛开生涩的计算机网络实践，从应用层的角度来了解到底什么是 Socket。

对于 Socket 的意识，本文将从以下几个方面着手介绍：

1）Socket 是什么；
2）Socket 是如何创立的；
3）Socket 是如何连贯的；
4）Socket 是如何收发数据的；
5）Socket 是如何断开连接的；
6）Socket 套接字的删除等。

特地阐明：本文中提到的“Socket”、“网络套接字”、“套接字”，如无非凡指明，指的都是同一个货色哦。

学习交换：

• 挪动端 IM 开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发挪动端 IM》
• 开源 IM 框架源码：https://github.com/JackJiang2…

（本文已同步公布于：http://www.52im.net/thread-38…）

2、Socket 是什么

一个数据包经由应用程序产生，进入到协定栈中进行各种报文头的包装，而后操作系统调用网卡驱动程序指挥硬件，把数据发送到对端主机。

整个过程的大体的图示如下：

咱们大家晓得，协定栈其实是位于操作系统中的一些协定的重叠，这些协定包含 TCP、UDP、ARP、ICMP、IP 等。

通常某个协定的设计都是为了解决特定问题的，比方：

1）TCP 的设计就负责安全可靠的传输数据；
2）UDP 设计就是报文小，传输效率高；
3）ARP 的设计是可能通过 IP 地址查问物理（Mac）地址；
4）ICMP 的设计目标是返回谬误报文给主机；
5）IP 设计的目标是为了实现大规模主机的互联互通。

应用程序比方浏览器、电子邮件、文件传输服务器等产生的数据，会通过传输层协定进行传输。而应用程序是不会和传输层间接建立联系的，而是有一个可能连贯应用层和传输层之间的套件，这个套件就是 Socket。

在下面这幅图中，应用程序蕴含 Socket 和解析器，解析器的作用就是向 DNS 服务器发动查问，查问指标 IP 地址（对于 DNS 请见《实践联系实际，全方位深刻了解 DNS》）。

应用程序的上面：就是操作系统外部，操作系统外部包含协定栈，协定栈是一系列协定的重叠。

操作系统上面：就是网卡驱动程序，网卡驱动程序负责管制网卡硬件，驱动程序驱动网卡硬件实现收发工作。

在操作系统外部有一块用于寄存管制信息的存储空间，这块存储空间记录了用于管制通信的管制信息。其实这些管制信息就是 Socket 的实体，或者说寄存管制信息的内存空间就是 Socket 的实体。

这里大家有可能不太分明所以然，所以我用了一下 netstat 命令来给大伙看一下 Socket 是啥玩意。

咱们在 Windows 的命令提示符中输出：

netstat-ano

• netstat 用于显示 Socket 内容 , -ano 是可选选项
• a 不仅显示正在通信的 Socket，还显示包含尚未开始通信等状态的所有 Socket
• n 显示 IP 地址和端口号
• o 显示 Socket 的程序 PID

我的计算机会呈现上面后果：

如上图所示：

1）每一行都相当于一个 Socket；
2）每一列也被称为一个元组。

所以，一个 Socket 就是五元组：

1）协定；
2）本地地址；
3）内部地址；
4）状态；
5）PID。

PS：有的时候也被叫做四元组，四元组不包含协定。

咱们来解读一下上图中的数据，比方图中的第一行：

1）它的协定就是 TCP，本地地址和近程地址都是 0.0.0.0（这示意通信还没有开始，IP 地址临时还未确定）。

2）而本地端口已知是 135，然而近程端口还未知，此时的状态是 LISTENING（LISTENING 示意应用程序曾经关上，正在期待与近程主机建设连贯。对于各种状态之间的转换，大家能够浏览《通俗易懂 - 深刻了解 TCP 协定（上）：实践根底》）。

3）最初一个元组是 PID，即过程标识符，PID 就像咱们的身份证号码，可能精确定位惟一的过程。

3、Socket 是如何创立的

通过上节的解说，当初你可能对 Socket 有了一个根本的意识，先喝口水，劳动一下，让咱们持续探索 Socket。

当初我有个问题，Socket 是如何创立的呢？

Socket 是和应用程序一起创立的。

应用程序中有一个 socket 组件，在应用程序启动时，会调用 socket 申请创立 Socket，协定栈会依据应用程序的申请创立 Socket：首先调配一个 Socket 所需的内存空间，这一步相当于是为管制信息筹备一个容器，但只有容器并没有理论作用，所以你还须要向容器中放入管制信息；如果你不申请创立 Socket 所须要的内存空间，你创立的管制信息也没有中央寄存，所以分配内存空间，放入管制信息缺一不可。至此 Socket 的创立就曾经实现了。

Socket 创立实现后，会返回一个 Socket 描述符给应用程序，这个描述符相当于是辨别不同 Socket 的号码牌。依据这个描述符，应用程序在委托协定栈收发数据时就须要提供这个描述符。

4、Socket 是如何连贯的

Socket 创立实现后，最终还是为数据收发服务的。然而，在数据收发之前，还须要进行一步“连贯”（术语就是 connect），建设连贯有一整套过程。

这个“连贯”并不是实在的连贯（用一根水管插在两个电脑之间？不是你想的这样。。。）。

实际上这个“连贯”是应用程序通过 TCP/IP 协定规范从一个主机通过网络介质传输到另一个主机的过程。

Socket 刚刚创立实现后，还没有数据，也不晓得通信对象。

在这种状态下：即便你让客户端应用程序委托协定栈发送数据，它也不晓得发送到哪里。所以浏览器须要依据网址来查问服务器的 IP 地址（做这项工作的协定是 DNS），查问到指标主机后，再把指标主机的 IP 通知协定栈。至此，客户端这边就筹备好了。

在服务器上：与客户端一样也须要创立 Socket，然而同样的它也不晓得通信对象是谁，所以咱们须要让客户端向服务器告知客户端的必要信息：IP 地址和端口号。

当初通信单方建设连贯的必要信息曾经具备，能够开始“连贯”过程了。

首先：客户端应用程序须要调用 Socket 库中的 connect 办法，提供 socket 描述符和服务器 IP 地址、端口号。

以下是 connect 的伪码调用：

connect(< 描述符 >、< 服务器 IP 地址和端口号 >)

这些信息会传递给协定栈中的 TCP 模块，TCP 模块会对申请报文进行封装，再传递给 IP 模块，进行 IP 报文头的封装，而后传递给物理层，进行帧头封装。

之后通过网络介质传递给服务器，服务器上会对帧头、IP 模块、TCP 模块的报文头进行解析，从而找到对应的 Socket。

Socket 收到申请后，会写入相应的信息，并且把状态改为正在连接。

申请过程实现后：服务器的 TCP 模块会返回响应，这个过程和客户端是一样的（如果大家不太分明报文头的封装过程，能够浏览《疾速了解 TCP 协定一篇就够》）。

在一个残缺的申请和响应过程中，管制信息起到十分要害的作用：

1）SYN 就是同步的缩写，客户端会首先发送 SYN 数据包，申请服务端建设连贯；
2）ACK 就是相应的意思，它是对发送 SYN 数据包的响应；
3）FIN 是终止的意思，它示意客户端 / 服务器想要终止连贯。

因为网络环境的复杂多变，常常会存在数据包失落的状况，所以单方通信时须要互相确认对方的数据包是否曾经达到，而判断的规范就是 ACK 的值。

下面的文字不够活泼，动画能够更好的阐明这个过程：

▲ 上图援用自《跟着动画来学 TCP 三次握手和四次挥手》

（PS：这个“连贯”的具体理论知识，能够浏览《实践经典：TCP 协定的 3 次握手与 4 次挥手过程详解》、《跟着动画来学 TCP 三次握手和四次挥手》，这里不再赘述。）

当所有建设连贯的报文都可能失常收发之后，此时套接字就曾经进入可收发状态了，此时能够认为用一根治理把两个套接字连贯了起来。当然，实际上并不存在这个管子。建设连贯之后，协定栈的连贯操作就完结了，也就是说 connect 曾经执行结束，管制流程被交回给应用程序。

另外：如果你对 Socket 代码更相熟的话，能够先读读这篇《手把手教你写基于 TCP 的 Socket 长连贯》。

5、Socket 是如何收发数据的

当管制流程上节中的连贯过程回到应用程序之后，接下来就会间接进入数据收发阶段。

数据收发操作是从应用程序调用 write 将要发送的数据交给协定栈开始的，协定栈收到数据之后执行发送操作。

协定栈不会关怀应用程序传输过去的是什么数据，因为这些数据最终都会转换为二进制序列，协定栈在收到数据之后并不会马上把数据发送进来，而是会将数据放在发送缓冲区，再期待应用程序发送下一条数据。

为什么收到数据包不会间接发送进来，而是放在缓冲区中呢？

因为只有一旦收到数据就会发送，就有可能发送大量的小数据包，导致网络效率降落（所以协定栈须要将数据积攒到肯定数量能力将其发送进来）。

至于协定栈会向缓冲区放多少数据，这个不同版本和品种的操作系统有不同的说法。

不过，所有的操作系统都会遵循上面这几个规范：

1）第一个判断因素：是每个网络包可能包容的数据长度，判断的规范是 MTU，它示意的是一个网络包的最大长度。最大长度蕴含头部，所以如果单论数据区的话，就会用 MTU – 包头长度，由此的进去的最大数据长度被称为 MSS。

2）另一个判断规范：是工夫，当应用程序产生的数据比拟少，协定栈向缓冲区搁置数据效率不高时，如果每次都等到 MSS 再发送的话，可能因为等待时间太长造成提早。在这种状况下，即便数据长度没有达到 MSS，也应该把数据发送进来。

但协定栈并没有通知咱们怎么均衡这两个因素，如果数据长度优先，那么效率有可能比拟低；如果工夫优先，那又会升高网络的效率。

通过了一段时间。。。。。。

假如咱们应用的是长度无限法令：此时缓冲区已满，协定栈要发送数据了，协定栈刚要把数据发送进来，却发现无奈一次性传输这么大数据量（绝对的）的数据，那怎么办呢？

在这种状况下，发送缓冲区中的数据就会超过 MSS 的长度，发送缓冲区中的数据会以 MSS 大小为一个数据包进行拆分，拆分进去的每块数据都会加上 TCP，IP，以太网头部，而后被放进独自的网络包中。

到当初，网络包曾经筹备好发往服务器了，然而数据发送操作还没有完结，因为服务器还未确认是否曾经收到网络包。因而在客户端发送数据包之后，还须要服务器进行确认。

TCP 模块在拆分数据时，会计算出网络包偏移量，这个偏移量就是绝对于数据从头开始计算的第几个字节，并将算好的字节数写在 TCP 头部，TCP 模块还会生成一个网络包的序号（SYN），这个序号是惟一的，这个序号就是用来让服务器进行确认的。

服务器会对客户端发送过去的数据包进行确认，确认无误之后，服务器会生成一个序号和确认号（ACK）并一起发送给客户端，客户端确认之后再发送确认号给服务器。

咱们来看一下理论的工作过程：

首先：客户端在连贯时须要计算出序号初始值，并将这个值发送给服务器。

接下来：服务器通过这个初始值计算出确认号并返回给客户端（初始值在通信过程中有可能会抛弃，因而当服务器收到初始值后须要返回确认号用于确认）。

同时：服务器也须要计算出从服务器到客户端方向的序号初始值，并将这个值发送给客户端。而后，客户端也须要依据服务器发来的初始值计算出确认号发送给服务器。

至此：连贯建设实现，接下来就能够进入数据收发阶段了。

数据收发阶段中，通信单方能够同时发送申请和响应，单方也能够同时对申请进行确认。

申请 – 确认机制十分弱小：通过这一机制，咱们能够确认接管方有没有收到某个包，如果没有收到则从新发送，这样一来，凡是网络中呈现的任何谬误，咱们都能够即便发现并补救。

下面的文字不够活泼，动画能够更好的了解申请 – 确认机制：

▲ 上图援用自《跟着动画来学 TCP 三次握手和四次挥手》

网卡、集线器、路由器（见《史上最艰深的集线器、交换机、路由器性能原理入门》）都没有谬误补救机制，一旦检测到谬误就会间接抛弃数据包，应用程序也没有这种机制，起作用的只是 TCP/IP 模块。

因为网络环境复杂多变，所以数据包会存在失落状况，因而发送序号和确认号也存在肯定规定，TCP 会通过窗口治理确认号，咱们这篇文章不再赘述，大家能够浏览《通俗易懂 - 深刻了解 TCP 协定（下）：RTT、滑动窗口、拥塞解决》来寻找答案。

PS：另一篇《咱们在读写 Socket 时，到底在读写什么？》中用动画具体阐明了这个过程，有趣味能够读一读。

6、Socket 是如何断开连接的

当通信单方不再须要收发数据时，须要断开连接。不同的应用程序断开连接的机会不同。

以 Web 为例：浏览器向 Web 服务器发送申请音讯，Web 服务器再返回响应音讯，这时收发数据就全副完结了，服务器可能会首先发动断开响应，当然客户端也有可能会首先发动（谁先断开连接是应用程序做出的判断），与协定栈无关。

无论哪一方发动断开连接的申请，都会调用 Socket 库的 close 程序。

咱们以服务器断开连接为例：服务器发动断开连接申请，协定栈会生成断开连接的 TCP 头部，其实就是设置 FIN 位，而后委托 IP 模块向客户端发送数据，与此同时，服务器的 Socket 会记录下断开连接的相干信息。

收到服务器发来 FIN 申请后：客户端协定栈会将 Socket 标记为断开连接状态，而后，客户端会向服务器返回一个确认号，这是断开连接的第一步，在这一步之后，应用程序还会调用 read 来读取数据。等到服务器数据发送实现后，协定栈会告诉客户端应用程序数据曾经接管结束。

只有收到服务器返回的所有数据，客户端就会调用 close 程序来完结收发操作，这时客户端会生成一个 FIN 发送给服务器，一段时间后服务器返回 ACK 号。至此，客户端和服务器的通信就完结了。

下面的文字不够活泼，动画能够更好的阐明这个过程：

▲ 上图援用自《跟着动画来学 TCP 三次握手和四次挥手》
PS：断开连接的具体理论知识，能够浏览《实践经典：TCP 协定的 3 次握手与 4 次挥手过程详解》、《跟着动画来学 TCP 三次握手和四次挥手》，这里不再赘述。

7、Socket 的删除

上述通信过程实现后，用来通信的 Socket 就不再会应用了，此时咱们就能够删除这个 Socket 了。

不过，这时候 Socket 不会马上删除，而是等过一段时间再删除。

期待这段时间是为了避免误操作，最常见的误操作就是客户端返回的确认号失落，至于期待多长时间，和数据包重传的形式无关，这里咱们就深刻展开讨论了。

对于 Socket 操作的全过程，如果从零碎的角度来看，可能会更深刻一些，倡议能够深刻浏览张彦飞的《深刻操作系统，从内核了解网络包的接管过程 (Linux 篇)》一文。

8、系列文章

本文是系列文章中的第 14 篇，本系列文章的纲要如下：

[1] 网络编程懒人入门 (一)：疾速了解网络通信协定（上篇）
[2] 网络编程懒人入门 (二)：疾速了解网络通信协定（下篇）
[3] 网络编程懒人入门 (三)：疾速了解 TCP 协定一篇就够
[4] 网络编程懒人入门 (四)：疾速了解 TCP 和 UDP 的差别
[5] 网络编程懒人入门 (五)：疾速了解为什么说 UDP 有时比 TCP 更有劣势
[6] 网络编程懒人入门 (六)：史上最艰深的集线器、交换机、路由器性能原理入门
[7] 网络编程懒人入门 (七)：深入浅出，全面了解 HTTP 协定
[8] 网络编程懒人入门 (八)：手把手教你写基于 TCP 的 Socket 长连贯
[9] 网络编程懒人入门 (九)：艰深解说，有了 IP 地址，为何还要用 MAC 地址？
[10] 网络编程懒人入门 (十)：一泡尿的工夫，疾速读懂 QUIC 协定
[11] 网络编程懒人入门 (十一)：一文读懂什么是 IPv6
[12] 网络编程懒人入门 (十二)：疾速读懂 Http/ 3 协定，一篇就够！
[13] 网络编程懒人入门 (十三)：一泡尿的工夫，疾速搞懂 TCP 和 UDP 的区别
[14] 网络编程懒人入门 (十四)：到底什么是 Socket？一文即懂！（* 本文 )

9、参考资料

[1] TCP/IP 详解 – 第 17 章·TCP：传输控制协议
[2] TCP/IP 详解 – 第 18 章·TCP 连贯的建设与终止
[3] TCP/IP 详解 – 第 21 章·TCP 的超时与重传
[4] 疾速了解网络通信协定（上篇）
[5] 疾速了解网络通信协定（下篇）
[6] 面视必备，史上最艰深计算机网络分层详解
[7] 如果你来设计网络，会怎么做？
[8] 如果你来设计 TCP 协定，会怎么做？
[10] 浅析 TCP 协定中的疑难杂症 (下篇)
[11] 敞开 TCP 连贯时为什么会 TIME_WAIT、CLOSE_WAIT
[12] 从底层动手，深度剖析 TCP 连贯耗时的机密

（本文已同步公布于：http://www.52im.net/thread-38…）