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之前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系列文章中沒有詳細(xì)介紹 Socket ，這篇文章我們來聊一下 Socket。

關(guān)于對(duì) Socket 的認(rèn)識(shí)，大致分為下面幾個(gè)主題，Socket 是什么，Socket 是如何創(chuàng)建的，Socket 是如何連接并收發(fā)數(shù)據(jù)的，Socket 套接字的刪除等。

Socket 是什么以及創(chuàng)建過程

一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)由應(yīng)用程序產(chǎn)生，進(jìn)入到協(xié)議棧中進(jìn)行各種報(bào)文頭的包裝，然后操作系統(tǒng)調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序指揮硬件，把數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)端主機(jī)。整個(gè)過程的大體的圖示如下。

我們大家知道，協(xié)議棧其實(shí)是位于操作系統(tǒng)中的一些協(xié)議的堆疊，這些協(xié)議包括 TCP、UDP、ARP、ICMP、IP等。通常某個(gè)協(xié)議的設(shè)計(jì)都是為了解決某些問題，比如 TCP 的設(shè)計(jì)就負(fù)責(zé)安全可靠的傳輸數(shù)據(jù)，UDP 設(shè)計(jì)就是報(bào)文小，傳輸效率高，ARP 的設(shè)計(jì)是能夠通過 IP 地址查詢物理(Mac)地址，ICMP 的設(shè)計(jì)目的是返回錯(cuò)誤報(bào)文給主機(jī)，IP 設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模主機(jī)的互聯(lián)互通。

應(yīng)用程序比如瀏覽器、電子郵件、文件傳輸服務(wù)器等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，會(huì)通過傳輸層協(xié)議進(jìn)行傳輸，而應(yīng)用程序是不會(huì)和傳輸層直接建立聯(lián)系的，而是有一個(gè)能夠連接應(yīng)用層和傳輸層之間的套件，這個(gè)套件就是 Socket。

在上面這幅圖中，應(yīng)用程序包含 Socket 和解析器，解析器的作用就是向 DNS 服務(wù)器發(fā)起查詢，查詢目標(biāo) IP 地址。

應(yīng)用程序的下面就是操作系統(tǒng)內(nèi)部，操作系統(tǒng)內(nèi)部包括協(xié)議棧，協(xié)議棧是一系列協(xié)議的堆疊。操作系統(tǒng)下面就是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)控制網(wǎng)卡硬件，驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)網(wǎng)卡硬件完成收發(fā)工作。

在操作系統(tǒng)內(nèi)部有一塊用于存放控制信息的存儲(chǔ)空間，這塊存儲(chǔ)空間記錄了用于控制通信的控制信息。其實(shí)這些控制信息就是 Socket 的實(shí)體，或者說存放控制信息的內(nèi)存空間就是套接字的實(shí)體。

這里大家有可能不太清楚所以然，所以我用了一下 netstat 命令來給大伙看一下套接字是啥玩意。

我們?cè)?Windows 的命令提示符中輸入

netstat -ano 
 
# netstat 用于顯示套接字內(nèi)容 , -ano 是可選選項(xiàng) 
# a 不僅顯示正在通信的套接字，還顯示包括尚未開始通信等狀態(tài)的所有套接字 
# n 顯示 IP 地址和端口號(hào) 
# o 顯示套接字的程序 PID 

我的計(jì)算機(jī)會(huì)出現(xiàn)下面結(jié)果。

圖中的每一行都相當(dāng)于一個(gè)套接字，每一列也被稱為一個(gè)元組，所以一個(gè)套接字就是五元組(協(xié)議、本地地址、外部地址、狀態(tài)、PID)。有的時(shí)候也被叫做四元組，四元組不包括協(xié)議。

比如圖中的第一行，它的協(xié)議就是 TCP，本地地址和遠(yuǎn)程地址都是 0.0.0.0，這表示通信還沒有開始，IP 地址暫時(shí)還未確定，而本地端口已知是 135，但是遠(yuǎn)程端口還未知，此時(shí)的狀態(tài)是 LISTENING，LISTENING 表示應(yīng)用程序已經(jīng)打開，正在等待與遠(yuǎn)程主機(jī)建立連接(關(guān)于各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，大家可以閱讀筆者的這篇文章 TCP ，丫的終于來了!!)最后一個(gè)元組是 PID，即進(jìn)程標(biāo)識(shí)符，PID 就像我們的身份證號(hào)碼，能夠精確定位唯一的進(jìn)程。

現(xiàn)在你可能對(duì) Socket 有了一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)在喝口水，休息一下，讓我們繼續(xù)探究 Socket。

現(xiàn)在我有個(gè)問題，Socket 是如何創(chuàng)建的呢?

Socket 是和應(yīng)用程序一起創(chuàng)建的。應(yīng)用程序中有一個(gè) socket 組件，在應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)，會(huì)調(diào)用 socket 申請(qǐng)創(chuàng)建套接字，協(xié)議棧會(huì)根據(jù)應(yīng)用程序的申請(qǐng)創(chuàng)建套接字：首先分配一個(gè)套接字所需的內(nèi)存空間，這一步相當(dāng)于是為控制信息準(zhǔn)備一個(gè)容器，但只有容器并沒有實(shí)際作用，所以你還需要向容器中放入控制信息;如果你不申請(qǐng)創(chuàng)建套接字所需要的內(nèi)存空間，你創(chuàng)建的控制信息也沒有地方存放，所以分配內(nèi)存空間，放入控制信息缺一不可。至此套接字的創(chuàng)建就已經(jīng)完成了。

套接字創(chuàng)建完成后，會(huì)返回一個(gè)套接字描述符給應(yīng)用程序，這個(gè)描述符相當(dāng)于是區(qū)分不同套接字的號(hào)碼牌。根據(jù)這個(gè)描述符，應(yīng)用程序在委托協(xié)議棧收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)就需要提供這個(gè)描述符。

套接字連接

套接字創(chuàng)建完成后，最終還是為數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)的，在數(shù)據(jù)收發(fā)之前，還需要進(jìn)行一步 connect，也就是建立連接的過程。這個(gè)連接并不是真實(shí)的連接：用一根水管插在兩個(gè)電腦之間。

而是應(yīng)用程序通過 TCP/IP 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)從一個(gè)主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)主機(jī)的過程。

套接字剛剛創(chuàng)建完成后，還沒有數(shù)據(jù)，也不知道通信對(duì)象。在這種狀態(tài)下，即使你讓客戶端應(yīng)用程序委托協(xié)議棧發(fā)送數(shù)據(jù)，它也不知道發(fā)送到哪里。所以瀏覽器需要根據(jù)網(wǎng)址來查詢服務(wù)器的 IP 地址，做這項(xiàng)工作的協(xié)議是 DNS，查詢到目標(biāo)主機(jī)后，再把目標(biāo)主機(jī)的 IP 告訴協(xié)議棧，至此，客戶端這邊就準(zhǔn)備好了。

在服務(wù)器上，與客戶端一樣也需要?jiǎng)?chuàng)建套接字，但是同樣的它也不知道通信對(duì)象是誰，所以我們需要讓客戶端向服務(wù)器告知客戶端的必要信息：IP 地址和端口號(hào)。

現(xiàn)在通信雙方建立連接的必要信息已經(jīng)具備，只欠一股東南風(fēng)了。通信雙方收到數(shù)據(jù)之后，還需要一塊位置來存放，這個(gè)位置就是緩沖區(qū)，它是內(nèi)存的一部分，有了緩沖區(qū)，就能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)操作了。

OK，現(xiàn)在客戶端想要給服務(wù)器發(fā)送一條數(shù)據(jù)，該進(jìn)行哪些操作呢?

首先，客戶端應(yīng)用程序需要調(diào)用 Socket 庫中的 connect 方法，提供 socket 描述符和服務(wù)器 IP 地址、端口號(hào)。

connect(<描述符>、<服務(wù)器IP地址和端口號(hào)>) 

這些信息會(huì)傳遞給協(xié)議棧中的 TCP 模塊，TCP 模塊會(huì)對(duì)請(qǐng)求報(bào)文進(jìn)行封裝，再傳遞給 IP 模塊，進(jìn)行 IP 報(bào)文頭的封裝，然后傳遞給物理層，進(jìn)行幀頭封裝，之后通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器上會(huì)對(duì)幀頭、IP 模塊、TCP 模塊的報(bào)文頭進(jìn)行解析，從而找到對(duì)應(yīng)的套接字，套接字收到請(qǐng)求后，會(huì)寫入相應(yīng)的信息，并且把狀態(tài)改為正在連接。請(qǐng)求過程完成后，服務(wù)器的 TCP 模塊會(huì)返回響應(yīng)，這個(gè)過程和客戶端是一樣的(如果大家不太清楚報(bào)文頭的封裝過程，可以閱讀筆者的這篇文章 TCP/IP 基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié))

在一個(gè)完整的請(qǐng)求和響應(yīng)過程中，控制信息起到非常關(guān)鍵的作用(具體的作用我們后面會(huì)說)。

• SYN 就是同步的縮寫，客戶端會(huì)首先發(fā)送 SYN 數(shù)據(jù)包，請(qǐng)求服務(wù)端建立連接。
• ACK 就是相應(yīng)的意思，它是對(duì)發(fā)送 SYN 數(shù)據(jù)包的響應(yīng)。
• FIN 是終止的意思，它表示客戶端/服務(wù)器想要終止連接。

由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜多變，經(jīng)常會(huì)存在數(shù)據(jù)包丟失的情況，所以雙方通信時(shí)需要相互確認(rèn)對(duì)方的數(shù)據(jù)包是否已經(jīng)到達(dá)，而判斷的標(biāo)準(zhǔn)就是 ACK 的值。

(通信雙方連接的建立會(huì)經(jīng)過三次握手流程，對(duì)三次握手詳細(xì)的介紹可以閱讀筆者的這篇文章 TCP 基礎(chǔ)知識(shí))

當(dāng)所有建立連接的報(bào)文都能夠正常收發(fā)之后，此時(shí)套接字就已經(jīng)進(jìn)入可收發(fā)狀態(tài)了，此時(shí)可以認(rèn)為用一根管理把兩個(gè)套接字連接了起來。當(dāng)然，實(shí)際上并不存在這個(gè)管子。建立連接之后，協(xié)議棧的連接操作就結(jié)束了，也就是說 connect 已經(jīng)執(zhí)行完畢，控制流程被交回給應(yīng)用程序。

收發(fā)數(shù)據(jù)

當(dāng)控制流程從 connect 回到應(yīng)用程序之后，接下來就會(huì)直接進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)階段，數(shù)據(jù)收發(fā)操作是從應(yīng)用程序調(diào)用 write 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)交給協(xié)議棧開始的，協(xié)議棧收到數(shù)據(jù)之后執(zhí)行發(fā)送操作。

協(xié)議棧不會(huì)關(guān)心應(yīng)用程序傳輸過來的是什么數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)最終都會(huì)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制序列，協(xié)議棧在收到數(shù)據(jù)之后并不會(huì)馬上把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而是會(huì)將數(shù)據(jù)放在發(fā)送緩沖區(qū)，再等待應(yīng)用程序發(fā)送下一條數(shù)據(jù)。

為什么收到數(shù)據(jù)包不會(huì)直接發(fā)送出去，而是放在緩沖區(qū)中呢?

因?yàn)橹灰坏┦盏綌?shù)據(jù)就會(huì)發(fā)送，就有可能發(fā)送大量的小數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率下降。所以協(xié)議棧需要將數(shù)據(jù)積攢到一定數(shù)量才能將其發(fā)送出去。至于協(xié)議棧會(huì)向緩沖區(qū)放多少數(shù)據(jù)，這個(gè)不同版本和種類的操作系統(tǒng)有不同的說法，不過，所有的操作系統(tǒng)和種類都會(huì)遵循下面這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

第一個(gè)判斷要素是每個(gè)網(wǎng)絡(luò)包能夠容納的數(shù)據(jù)長度，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是 MTU，它表示的是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包的最大長度。最大長度包含頭部，所以如果單論數(shù)據(jù)區(qū)的話，就會(huì)用 MTU - 包頭長度，由此的出來的最大數(shù)據(jù)長度被稱為 MSS。

另一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)是時(shí)間，當(dāng)應(yīng)用程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比較少，協(xié)議棧向緩沖區(qū)放置數(shù)據(jù)效率不高時(shí)，如果每次都等到 MSS 再發(fā)送的話，可能因?yàn)榈却龝r(shí)間太長造成延遲，在這種情況下，即使數(shù)據(jù)長度沒有到達(dá) MSS，也應(yīng)該把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

協(xié)議棧并沒有告訴我們?cè)鯓悠胶膺@兩個(gè)因素，如果數(shù)據(jù)長度優(yōu)先，那么效率有可能比較低;如果時(shí)間優(yōu)先，那又會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的效率。

經(jīng)過了一段時(shí)間。。。。。。

假設(shè)我們使用的是長度有限法則，此時(shí)緩沖區(qū)已滿，協(xié)議棧要發(fā)送數(shù)據(jù)了，協(xié)議棧剛要把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，卻發(fā)現(xiàn)無法一次性傳輸這么大數(shù)據(jù)量(相對(duì)的)的數(shù)據(jù)，那怎么辦呢?

在這種情況下，發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)就會(huì)超過 MSS 的長度，發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)會(huì)以 MSS 大小為一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆分，拆分出來的每塊數(shù)據(jù)都會(huì)加上 TCP，IP，以太網(wǎng)頭部，然后被放進(jìn)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)包中。

到現(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)包已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)往服務(wù)器了，但是數(shù)據(jù)發(fā)送操作還沒有結(jié)束，因?yàn)榉?wù)器還未確認(rèn)是否已經(jīng)收到網(wǎng)絡(luò)包。因此在客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)包之后，還需要服務(wù)器進(jìn)行確認(rèn)。

TCP 模塊在拆分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，會(huì)計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)包偏移量，這個(gè)偏移量就是相對(duì)于數(shù)據(jù)從頭開始計(jì)算的第幾個(gè)字節(jié)，并將算好的字節(jié)數(shù)寫在 TCP 頭部，TCP 模塊還會(huì)生成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包的序號(hào)(SYN)，這個(gè)序號(hào)是唯一的，這個(gè)序號(hào)就是用來讓服務(wù)器進(jìn)行確認(rèn)的。

服務(wù)器會(huì)對(duì)客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)無誤之后，服務(wù)器會(huì)生成一個(gè)序號(hào)和確認(rèn)號(hào)(ACK)并一起發(fā)送給客戶端，客戶端確認(rèn)之后再發(fā)送確認(rèn)號(hào)給服務(wù)器。

我們來看一下實(shí)際的工作過程。

首先，客戶端在連接時(shí)需要計(jì)算出序號(hào)初始值，并將這個(gè)值發(fā)送給服務(wù)器。接下來，服務(wù)器通過這個(gè)初始值計(jì)算出 確認(rèn)號(hào)并返回給客戶端。初始值在通信過程中有可能會(huì)丟棄，因此當(dāng)服務(wù)器收到初始值后需要返回確認(rèn)號(hào)用于確認(rèn)。同時(shí)，服務(wù)器也需要計(jì)算出從服務(wù)器到客戶端方向的序號(hào)初始值，并將這個(gè)值發(fā)送給客戶端。然后，客戶端也需要根據(jù)服務(wù)器發(fā)來的初始值計(jì)算出確認(rèn)號(hào)發(fā)送給服務(wù)器，至此，連接建立完成，接下來就可以進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)階段了。

數(shù)據(jù)收發(fā)階段中，通信雙方可以同時(shí)發(fā)送請(qǐng)求和響應(yīng)，雙方也可以同時(shí)對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行確認(rèn)。

請(qǐng)求 - 確認(rèn)機(jī)制非常強(qiáng)大，通過這一機(jī)制，我們可以確認(rèn)接收方有沒有收到某個(gè)包，如果沒有收到則重新發(fā)送，這樣一來，但凡網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的任何錯(cuò)誤，我們都可以即使發(fā)現(xiàn)并補(bǔ)救。

網(wǎng)卡、集線器、路由器都沒有錯(cuò)誤補(bǔ)救機(jī)制，一旦檢測到錯(cuò)誤就會(huì)直接丟棄數(shù)據(jù)包，應(yīng)用程序也沒有這種機(jī)制，起作用的只是 TCP/IP 模塊。

由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多變，所以數(shù)據(jù)包會(huì)存在丟失情況，因此發(fā)送序號(hào)和確認(rèn)號(hào)也存在一定規(guī)則，TCP 會(huì)通過窗口管理確認(rèn)號(hào)，我們這篇文章不再贅述，大家可以閱讀筆者的這篇文章 TCP 基礎(chǔ)知識(shí) 來尋找答案。

斷開連接

當(dāng)通信雙方不再需要收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，需要斷開連接。不同的應(yīng)用程序斷開連接的時(shí)機(jī)不同。以 Web 為例，瀏覽器向 Web 服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求消息，Web 服務(wù)器再返回響應(yīng)消息，這時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)就全部結(jié)束了，服務(wù)器可能會(huì)首先發(fā)起斷開響應(yīng)，當(dāng)然客戶端也有可能會(huì)首先發(fā)起(誰先斷開連接是應(yīng)用程序做出的判斷)，與協(xié)議棧無關(guān)。

無論哪一方發(fā)起斷開連接的請(qǐng)求，都會(huì)調(diào)用 Socket 庫的 close 程序。我們以服務(wù)器斷開連接為例，服務(wù)器發(fā)起斷開連接請(qǐng)求，協(xié)議棧會(huì)生成斷開連接的 TCP 頭部，其實(shí)就是設(shè)置 FIN 位，然后委托 IP 模塊向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，服務(wù)器的套接字會(huì)記錄下斷開連接的相關(guān)信息。

收到服務(wù)器發(fā)來 FIN 請(qǐng)求后，客戶端協(xié)議棧會(huì)將套接字標(biāo)記為斷開連接狀態(tài)，然后，客戶端會(huì)向服務(wù)器返回一個(gè)確認(rèn)號(hào)，這是斷開連接的第一步，在這一步之后，應(yīng)用程序還會(huì)調(diào)用 read 來讀取數(shù)據(jù)。等到服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，協(xié)議棧會(huì)通知客戶端應(yīng)用程序數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完畢。

只要收到服務(wù)器返回的所有數(shù)據(jù)，客戶端就會(huì)調(diào)用 close 程序來結(jié)束收發(fā)操作，這時(shí)客戶端會(huì)生成一個(gè) FIN 發(fā)送給服務(wù)器，一段時(shí)間后服務(wù)器返回 ACK 號(hào)，至此，客戶端和服務(wù)器的通信就結(jié)束了。

刪除套接字

通信完成后，用來通信的套接字就不再會(huì)使用了，此時(shí)我們就可以刪除這個(gè)套接字了。不過，這時(shí)候套接字不會(huì)馬上刪除，而是等過一段時(shí)間再刪除。

等待這段時(shí)間是為了防止誤操作，最常見的誤操作就是客戶端返回的確認(rèn)號(hào)丟失，至于等待多長時(shí)間，和數(shù)據(jù)包重傳的方式有關(guān)。

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