Socket過程詳細(xì)解釋（包括三次握手建立連接，四次握手?jǐn)嚅_連接）

本文的主要內(nèi)容以下：

• 1、網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通訊？
• 2、Socket是甚么？
• 3、socket的基本操作
  • 3.1、socket()函數(shù)
  • 3.2、bind()函數(shù)
  • 3.3、listen()、connect()函數(shù)
  • 3.4、accept()函數(shù)
  • 3.5、read()、write()函數(shù)等
  • 3.6、close()函數(shù)
• 4、socket中TCP的3次握手建立連接詳解
• 5、socket中TCP的4次握手釋放連接詳解
• 6、1個(gè)例子（實(shí)踐1下）
• 7、留下1個(gè)問題，歡迎大家回帖回答！！！

1、網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通訊？

本地的進(jìn)程間通訊（IPC）有很多種方式，但可以總結(jié)為下面4類：

• 消息傳遞（管道、FIFO、消息隊(duì)列）
• 同步（互斥量、條件變量、讀寫鎖、文件和寫記錄鎖、信號(hào)量）
• 同享內(nèi)存（匿名的和具名的）
• 遠(yuǎn)程進(jìn)程調(diào)用（Solaris門和Sun RPC）

但這些都不是本文的主題！我們要討論的是網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通訊？重要解決的問題是如何唯1標(biāo)識(shí)1個(gè)進(jìn)程，否則通訊無從談起！在本地可以通過進(jìn)程PID來唯1標(biāo)識(shí)1個(gè)進(jìn)程，但是在網(wǎng)絡(luò)中這是行不通的。其實(shí)TCP/IP協(xié)議族已幫我們解決了這個(gè)問題，網(wǎng)絡(luò)層的“ip地址”可以唯1標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，而傳輸層的“協(xié)議+端口”可以唯1標(biāo)識(shí)主機(jī)中的利用程序（進(jìn)程）。這樣利用3元組（ip地址，協(xié)議，端口）就能夠標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程了，網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程通訊就能夠利用這個(gè)標(biāo)志與其它進(jìn)程進(jìn)行交互。

使用TCP/IP協(xié)議的利用程序通常采取利用編程接口：UNIX  BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已被淘汰），來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程之間的通訊。就目前而言，幾近所有的利用程序都是采取socket，而現(xiàn)在又是網(wǎng)絡(luò)時(shí)期，網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程通訊是無處 不在，這就是我為何說“1切皆socket”。

2、甚么是Socket？

上面我們已知道網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程是通過socket來通訊的，那甚么是socket呢？socket起源于 Unix，而Unix/Linux基本哲學(xué)之1就是“1切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關(guān)閉close”模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的1個(gè)實(shí)現(xiàn)，socket即是1種特殊的文件，1些socket函數(shù)就是對(duì)其進(jìn)行的操作 （讀/寫IO、打開、關(guān)閉），這些函數(shù)我們?cè)诤竺孢M(jìn)行介紹。

socket1詞的起源

在組網(wǎng)領(lǐng)域的首次使用是在1970年2月12日發(fā)布的文獻(xiàn)IETF RFC33中 發(fā)現(xiàn)的，撰寫者為Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據(jù)美國計(jì)算機(jī)歷史博物館的記載，Croker寫道：“命名空間的元素都可稱為套接字接口。1個(gè)套接字接口構(gòu)成1個(gè)連接的1端，而1個(gè)連接可完 全由1對(duì)套接字接口規(guī)定。”計(jì)算機(jī)歷史博物館補(bǔ)充道：“這比BSD的套接字接口定義早了大約12年。”

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的1種實(shí)現(xiàn)，那末socket就提供了這些操作對(duì)應(yīng)的函數(shù)接口。下面以TCP為例，介紹幾個(gè)基本的socket接口函數(shù)。

3.1、socket()函數(shù)

socket函數(shù)對(duì)應(yīng)于普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回1個(gè)文件描寫字，而socket()用于創(chuàng)建1個(gè)socket描寫符（socket descriptor），它唯1標(biāo)識(shí)1個(gè)socket。這個(gè)socket描寫字跟文件描寫字1樣，后續(xù)的操作都有用到它，把它作為參數(shù)，通過它來進(jìn)行1些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同參數(shù)值，以打開不同的文件。創(chuàng)建socket的時(shí)候，也能夠指定不同的參數(shù)創(chuàng)建不同的socket描寫符，socket函數(shù)的3個(gè)參數(shù)分別為：

• domain：即協(xié)議域，又稱為協(xié)議族（family）。經(jīng)常使用的協(xié)議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協(xié)議族決定了socket的地址類型，在通訊中必須采取對(duì)應(yīng)的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號(hào)（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用1個(gè)絕對(duì)路徑名作為地址。
• type：指定socket類型。經(jīng)常使用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的類型有哪些？）。
• protocol：故名思意，就是指定協(xié)議。經(jīng)常使用的協(xié)議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對(duì)應(yīng)TCP傳輸協(xié)議、UDP傳輸協(xié)議、STCP傳輸協(xié)議、TIPC傳輸協(xié)議（這個(gè)協(xié)議我將會(huì)單獨(dú)開篇討論！）。

注意：其實(shí)不是上面的type和protocol可以隨便組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當(dāng)protocol為0時(shí)，會(huì)自動(dòng)選擇type類型對(duì)應(yīng)的默許協(xié)議。

當(dāng)我們調(diào)用socket創(chuàng)建1個(gè)socket時(shí)，返回的socket描寫字它存在于協(xié)議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有1個(gè)具體的地址。如果想要給它賦值1個(gè)地址，就必須調(diào)用bind()函數(shù)，否則就當(dāng)調(diào)用connect()、listen()時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)隨機(jī)分配1個(gè)端口。

3.2、bind()函數(shù)

正如上面所說bind()函數(shù)把1個(gè)地址族中的特定地址賦給socket。例如對(duì)應(yīng)AF_INET、AF_INET6就是把1個(gè)ipv4或ipv6地址和端口號(hào)組合賦給socket。

函數(shù)的3個(gè)參數(shù)分別為：

• sockfd：即socket描寫字，它是通過socket()函數(shù)創(chuàng)建了，唯1標(biāo)識(shí)1個(gè)socket。bind()函數(shù)就是將給這個(gè)描寫字綁定1個(gè)名字。
• addr：1個(gè)const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協(xié)議地址。這個(gè)地址結(jié)構(gòu)根據(jù)地址創(chuàng)建socket時(shí)的地址協(xié)議族的不同而不同，如ipv4對(duì)應(yīng)的是： 
  
  struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */ in_port_t sin_port; /* port in network byte order */ struct in_addr sin_addr; /* internet address */ }; /* Internet address. */ struct in_addr { uint32_t s_addr; /* address in network byte order */ };
  ipv6對(duì)應(yīng)的是： 
  
  struct sockaddr_in6 { sa_family_t sin6_family; /* AF_INET6 */ in_port_t sin6_port; /* port number */ uint32_t sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 address */ uint32_t sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ }; struct in6_addr { unsigned char s6_addr[16]; /* IPv6 address */ };
  Unix域?qū)?yīng)的是： 
  
  #define UNIX_PATH_MAX 108 struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */ char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ };
• addrlen：對(duì)應(yīng)的是地址的長(zhǎng)度。

通常服務(wù)器在啟動(dòng)的時(shí)候都會(huì)綁定1個(gè)盡人皆知的地址（如ip地址+端口號(hào)），用于提供服務(wù)，客戶就能夠通過它來接連服務(wù)器；而客戶端就不用指定，有系統(tǒng)自動(dòng)分配1個(gè)端口號(hào)和本身的ip地址組合。這就是為何通常服務(wù)器端在listen之前會(huì)調(diào)用bind()，而客戶端就不會(huì)調(diào)用，而是在connect()時(shí)由系統(tǒng)隨機(jī)生成1個(gè)。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序與主機(jī)字節(jié)序

主機(jī)字節(jié)序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節(jié)序類型，這些字節(jié)序是指整數(shù)在內(nèi)存中保存的順序，這個(gè)叫做主機(jī)序。援用標(biāo)準(zhǔn)的Big-Endian和Little-Endian的定義以下：

　　a) Little-Endian就是低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序：4個(gè)字節(jié)的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。這類傳輸次序稱作大端字節(jié)序。由于TCP/IP首部中所有的2進(jìn)制整數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)都要求以這類次序，因此它又稱作網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序。字節(jié)序，顧名思義字節(jié)的順序，就是大于1個(gè)字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的寄存順序，1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)沒有順序的問題了。

所以： 在將1個(gè)地址綁定到socket的時(shí)候，請(qǐng)先將主機(jī)字節(jié)序轉(zhuǎn)換成為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序，而不要假定主機(jī)字節(jié)序跟網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序1樣使用的是Big-Endian。由于 這個(gè)問題曾引發(fā)過血案！公司項(xiàng)目代碼中由于存在這個(gè)問題，致使了很多稀里糊涂的問題，所以請(qǐng)謹(jǐn)記對(duì)主機(jī)字節(jié)序不要做任何假定，務(wù)勢(shì)必其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序再 賦給socket。

3.3、listen()、connect()函數(shù)

如果作為1個(gè)服務(wù)器，在調(diào)用socket()、bind()以后就會(huì)調(diào)用listen()來監(jiān)聽這個(gè)socket，如果客戶端這時(shí)候調(diào)用connect()發(fā)出連接要求，服務(wù)器端就會(huì)接收到這個(gè)要求。

listen函數(shù)的第1個(gè)參數(shù)即為要監(jiān)聽的socket描寫字，第2個(gè)參數(shù)為相應(yīng)socket可以排隊(duì)的最大連接個(gè)數(shù)。socket()函數(shù)創(chuàng)建的socket默許是1個(gè)主動(dòng)類型的，listen函數(shù)將socket變成被動(dòng)類型的，等待客戶的連接要求。

connect函數(shù)的第1個(gè)參數(shù)即為客戶真?zhèn)€socket描寫字，第2參數(shù)為服務(wù)器的socket地址，第3個(gè)參數(shù)為socket地址的長(zhǎng)度。客戶端通過調(diào)用connect函數(shù)來建立與TCP服務(wù)器的連接。

3.4、accept()函數(shù)

TCP服務(wù)器端順次調(diào)用socket()、bind()、listen()以后，就會(huì)監(jiān)聽指定的socket地址了。TCP客戶端順次調(diào)用socket()、connect()以后就想TCP服務(wù)器發(fā)送了1個(gè)連接要求。TCP服務(wù)器監(jiān)聽到這個(gè)要求以后，就會(huì)調(diào)用accept()函數(shù)取接收要求，這樣連接就建立好了。以后就能夠開始網(wǎng)絡(luò)I/O操作了，即類同于普通文件的讀寫I/O操作。

accept函數(shù)的第1個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描寫字，第2個(gè)參數(shù)為指向struct sockaddr *的指針，用于返回客戶真?zhèn)€協(xié)議地址，第3個(gè)參數(shù)為協(xié)議地址的長(zhǎng)度。如果accpet成功，那末其返回值是由內(nèi)核自動(dòng)生成的1個(gè)全新的描寫字，代表與返回客戶的TCP連接。

注意：accept的第1個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描寫字，是服務(wù)器開始調(diào)用socket()函數(shù)生成的，稱為監(jiān)聽socket描寫字；而accept函數(shù)返回的是已連接的socket描寫字。1個(gè)服務(wù)器通常通常僅僅只創(chuàng)建1個(gè)監(jiān)聽socket描寫字，它在該服務(wù)器的生命周期內(nèi)1直存在。內(nèi)核為每一個(gè)由服務(wù)器進(jìn)程接受的客戶連接創(chuàng)建了1個(gè)已連接socket描寫字，當(dāng)服務(wù)器完成了對(duì)某個(gè)客戶的服務(wù)，相應(yīng)的已連接socket描寫字就被關(guān)閉。

3.5、read()、write()等函數(shù)

萬事具有只欠東風(fēng)，至此服務(wù)器與客戶已建立好連接了。可以調(diào)用網(wǎng)絡(luò)I/O進(jìn)行讀寫操作了，即實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)咯中不同進(jìn)程之間的通訊！網(wǎng)絡(luò)I/O操作有下面幾組：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)是最通用的I/O函數(shù)，實(shí)際上可以把上面的其它函數(shù)都替換成這兩個(gè)函數(shù)。它們的聲明以下：

read函數(shù)是負(fù)責(zé)從fd中讀取內(nèi)容.當(dāng)讀成功時(shí)，read返回實(shí)際所讀的字節(jié)數(shù)，如果返回的值是0表示已讀到文件的結(jié)束了，小于0表示出現(xiàn)了毛病。如果毛病為EINTR說明讀是由中斷引發(fā)的，如果是ECONNREST表示網(wǎng)絡(luò)連接出了問題。

write函數(shù)將buf中的nbytes字節(jié)內(nèi)容寫入文件描寫符fd.成功時(shí)返回寫的字節(jié)數(shù)。失敗時(shí)返回⑴，并設(shè)置errno變量。 在網(wǎng)絡(luò)程序中，當(dāng)我們向套接字文件描寫符寫時(shí)有倆種可能。1)write的返回值大于0，表示寫了部份或是全部的數(shù)據(jù)。2)返回的值小于0，此時(shí)出現(xiàn)了 毛病。我們要根據(jù)毛病類型來處理。如果毛病為EINTR表示在寫的時(shí)候出現(xiàn)了中斷毛病。如果為EPIPE表示網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)了問題(對(duì)方已關(guān)閉了連接)。

其它的我就不逐一介紹這幾對(duì)I/O函數(shù)了，具體參見man文檔或baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

3.6、close()函數(shù)

在服務(wù)器與客戶端建立連接以后，會(huì)進(jìn)行1些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關(guān)閉相應(yīng)的socket描寫字，好比操作完打開的文件要調(diào)用fclose關(guān)閉打開的文件。

close1個(gè)TCP socket的缺省行動(dòng)時(shí)把該socket標(biāo)記為以關(guān)閉，然后立即返回到調(diào)用進(jìn)程。該描寫字不能再由調(diào)用進(jìn)程使用，也就是說不能再作為read或write的第1個(gè)參數(shù)。

注意：close操作只是使相應(yīng)socket描寫字的援用計(jì)數(shù)⑴，只有當(dāng)援用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，才會(huì)觸發(fā)TCP客戶端向服務(wù)器發(fā)送終止連接要求。

4、socket中TCP的3次握手建立連接詳解

我們知道tcp建立連接要進(jìn)行“3次握手”，即交換3個(gè)分組。大致流程以下：

• 客戶端向服務(wù)器發(fā)送1個(gè)SYN J
• 服務(wù)器向客戶端響應(yīng)1個(gè)SYN K，并對(duì)SYN J進(jìn)行確認(rèn)ACK J+1
• 客戶端再想服務(wù)器發(fā)1個(gè)確認(rèn)ACK K+1

只有就完了3次握手，但是這個(gè)3次握手產(chǎn)生在socket的那幾個(gè)函數(shù)中呢？請(qǐng)看下圖：

圖1、socket中發(fā)送的TCP3次握手

從圖中可以看出，當(dāng)客戶端調(diào)用connect時(shí)，觸發(fā)了連接要求，向服務(wù)器發(fā)送了SYN J包，這時(shí)候connect進(jìn)入阻塞狀態(tài)；服務(wù)器監(jiān)聽到連接要求，即收到SYN J包，調(diào)用accept函 數(shù)接收要求向客戶端發(fā)送SYN K ，ACK J+1，這時(shí)候accept進(jìn)入阻塞狀態(tài)；客戶端收到服務(wù)器的SYN K ，ACK J+1以后，這時(shí)候connect返回，并對(duì)SYN K進(jìn)行確認(rèn)；服務(wù)器收到ACK K+1時(shí)，accept返回，至此3次握手終了，連接建立。

總結(jié)：客戶真?zhèn)€connect在3次握手的第2個(gè)次返回，而服務(wù)器真?zhèn)€accept在3次握手的第3次返回。

5、socket中TCP的4次握手釋放連接詳解

上面介紹了socket中TCP的3次握手建立進(jìn)程，及其觸及的socket函數(shù)。現(xiàn)在我們介紹socket中的4次握手釋放連接的進(jìn)程，請(qǐng)看下圖：

圖2、socket中發(fā)送的TCP4次握手

圖示進(jìn)程以下：

• 某個(gè)利用進(jìn)程首先調(diào)用close主動(dòng)關(guān)閉連接，這時(shí)候TCP發(fā)送1個(gè)FIN M；
• 另外一端接收到FIN M以后，履行被動(dòng)關(guān)閉，對(duì)這個(gè)FIN進(jìn)行確認(rèn)。它的接收也作為文件結(jié)束符傳遞給利用進(jìn)程，由于FIN的接收意味著利用進(jìn)程在相應(yīng)的連接上再也接收不到額外數(shù)據(jù)；
• 1段時(shí)間以后，接收到文件結(jié)束符的利用進(jìn)程調(diào)用close關(guān)閉它的socket。這致使它的TCP也發(fā)送1個(gè)FIN N；
• 接收到這個(gè)FIN的源發(fā)送端TCP對(duì)它進(jìn)行確認(rèn)。

這樣每一個(gè)方向上都有1個(gè)FIN和ACK。

6、1個(gè)例子（實(shí)踐1下）

說了這么多了，動(dòng)手實(shí)踐1下。下面編寫1個(gè)簡(jiǎn)單的服務(wù)器、客戶端（使用TCP）——服務(wù)器端1直監(jiān)聽本機(jī)的6666號(hào)端口，如果收到連接要求，將接收要求并接收客戶端發(fā)來的消息；客戶端與服務(wù)器端建立連接并發(fā)送1條消息。

服務(wù)器端代碼：

1 服務(wù)器端 2 3 #include 4 #include 5 #include<string.h> 6 #include 7 #include 8 #include 9 #includein.h> 10 11 #define MAXLINE 4096 12 13 int main(int argc, char** argv) 14 { 15 int listenfd, connfd; 16 struct sockaddr_in servaddr; 17 char buff[4096]; 18 int n; 19 20 if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){ 21 printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 22 exit(0); 23 } 24 25 memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); 26 servaddr.sin_family = AF_INET; 27 servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 28 servaddr.sin_port = htons(6666); 29 30 if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){ 31 printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 32 exit(0); 33 } 34 35 if( listen(listenfd, 10) == -1){ 36 printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno); 37 exit(0); 38 } 39 40 printf("======waiting for client's request======\n"); 41 while(1){ 42 if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){ 43 printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno); 44 continue; 45 } 46 n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0); 47 buff[n] = '\0'; 48 printf("recv msg from client: %s\n", buff); 49 close(connfd); 50 } 51 52 close(listenfd); 53 }

客戶端代碼：

客戶端

1 客戶端 2 3 #include 4 #include 5 #include<string.h> 6 #include 7 #include 8 #include 9 #includein.h> 10 11 #define MAXLINE 4096 12 13 int main(int argc, char**

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