Socket

  • Socket又称"套接字”
  • 网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换,这个连接的一端称为一个socket。
  • 应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求
  • 需要服务器端主动向客户端推送数据，保持客户端与服务器数据的实时与同步。此时若双方建立的是Socket连接，服务器就可以直接将数据传送给客户端
  • Socket是对TCP/IP协议的封装，Socket本身并不是协议，而是一个调用接口（API），通过Socket，才能使用TCP/IP协议

简介

  • Socket通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。网络上的两个程序通过一个双向的通讯连接实现数据的交换，这个双向链路的一端称为一个Socket，一个Socket由一个IP地址和一个端口号唯一确定。应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求。Socket是TCP\/IP协议的一个十分流行的编程界面，但是，Socket所支持的协议种类也不光TCP\/IP一种，因此两者之间是没有必然联系的。在Java环境下，Socket编程主要是指基于TCP\/IP协议的网络编程。

  • Socket通讯过程：服务端监听某个端口是否有连接请求，客户端向服务端发送连接请求，服务端收到连接请求向客户端发出接收消息，这样一个连接就建立起来了。客户端和服务端都可以相互发送消息与对方进行通讯。

  • Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

  • 由于通常情况下Socket连接就是TCP连接，因此Socket连接一旦建立，通信双方即可开始相互发送数据内容，直到双方连接断开。但在实际网络应用中，客户端到服务器之间的通信往往需要穿越多个中间节点，例如路由器、网关、防火墙等，大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致 Socket 连接断连，因此需要通过轮询告诉网络，该连接处于活跃状态。

网络通信的要素

  • 网络上的请求就是通过Socket来建立连接然后互相通信

  • IP地址（网络上主机设备的唯一标识）

  • 端口号(定位程序)

    • 用于标示进程的逻辑地址,不同进程的标示
    • 有效端又:0~65535,其中0~1024由系统使用或者保留端又,开发中建议使用1024以上的端口

  • 传输协议(用什么样的方式进行交互)

    • 通讯的规则
    • 常见协议:TCP、UDP

  • TCP\/IP协议组

    • 可分为三个层次：网络层、传输层和应用层：
    • 网络层：IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议；(规定传输方式)
    • 传输层：TCP协议与UDP协议；(规定传输格式)
    • 应用层：FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议；

TCP&UDP

TCP(传输控制协议)

  • 建立连接,形成传输数据的通道
  • 在连接中进行大数据传输(数据不受限制)
  • 通过三次握手完成连接,是可靠协议,安全送达
  • 必须建立连接,效率会稍低

三次握手

  • 第一次握手：客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；

  • 第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

  • 第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

四次挥手释放

  • 第一次挥手：某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；

  • 第二次挥手：另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认，返回一个ACK M+1。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；

  • 第三次挥手：一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；

  • 第四次挥手：接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认，返回一个ACK N+1。这样每个方向上都有一个FIN和ACK

为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次挥手？

  • 因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到Server端所有的报文都发送完了，才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

适用

  • TCP发送的包有序号，对方收到包后要给一个反馈，如果超过一定时间还没收到反馈就自动执行超时重发，因此TCP最大的优点是可靠。一般网页（http）、邮件（SMTP)、远程连接(Telnet)、文件(FTP)传送就用TCP

  • TCP在网络通信上有极强的生命力，例如远程连接（Telnet）和文件传输（FTP）都需要不定长度的数据被可靠地传输。但是可靠的传输是要付出代价的，对数据内容正确性的检验必然占用计算机的处理时间和网络的带宽，因此TCP传输的效率不如UDP高。

UDP(用户数据报协议)

  • 将数据及源和目的封装成数据包中,
  • 不需要建立连接
  • 每个数据报的大小限制在64K之内
  • 因为无需连接,因此是不可靠协议
  • 不需要建立连接,速度快

特点

  • UDP是面向无连接的通讯协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。

  • UDP传输数据时有大小限制，每个被传输的数据报必须限定在64KB之内。

  • UDP是一个不可靠的协议，发送方所发送的数据报并不一定以相同的次序到达接收方

适用

  • UDP是面向消息的协议，通信时不需要建立连接，数据的传输自然是不可靠的，UDP一般用于多点通信和实时的数据业务，比如语音广播、视频、QQ、TFTP(简单文件传送）、SNMP（简单网络管理协议）、RTP（实时传送协议）RIP（路由信息协议，如报告股票市场，航空信息）、DNS(域名解释）。注重速度流畅。

  • UDP操作简单，而且仅需要较少的监护，因此通常用于局域网高可靠性的分散系统中client\/server应用程序。例如视频会议系统，并不要求音频视频数据绝对的正确，只要保证连贯性就可以了，这种情况下显然使用UDP会更合理一些。

HTTP

  • HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式，不仅在请求时需要先建立TCP连接，而且需要客户端向服务器发出请求后，请求中包含请求方法、URI、协议版本以及相关的MIME样式的消息，服务器端才能回复数据，包含消息的协议版本、一个成功和失败码以及相关的MIME式样的消息。在请求结束后，会主动释放连接。从建立连接到关闭连接的过程称为“一次连接”。由于HTTP在每次请求结束后都会主动释放连接，因此HTTP连接是一种“短连接”，要保持客户端程序的在线状态，需要不断地向服务器发起连接请求。通常的做法是即时不需要获得任何数据，客户端也保持每隔一段固定的时间向服务器发送一次“保持连接”的请求，服务器在收到该请求后对客户端进行回复，表明知道客户端“在线”。若服务器长时间无法收到客户端的请求，则认为客户端“下线”，若客户端长时间无法收到服务器的回复，则认为网络已经断开。

  • HTTP/1.0为每一次HTTP的请求\/响应建立一条新的TCP链接，因此一个包含HTML内容和图片的页面将需要建立多次的短期的TCP链接。一次TCP链接的建立将需要3次握手。

  • 另外，为了获得适当的传输速度，则需要TCP花费额外的回路链接时间（RTT）。每一次链接的建立需要这种经常性的开销，而其并不带有实际有用的数据，只是保证链接的可靠性，因此HTTP/1.1提出了可持续链接的实现方法。HTTP/1.1将只建立一次TCP的链接而重复地使用它传输一系列的请求\/响应消息，因此减少了链接建立的次数和经常性的链接开销

  • HTTP是应用层协议，其传输都是被包装成TCP协议传输。可以用Socket实现HTTP。Socket是实现传输层协议的一种编程API，可以是TCP，也可以是UDP

建立Socket连接

  • 建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为ClientSocket ，另一个运行于服务器端，称为ServerSocket。

  • 创建Socket连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket可以支持不同的传输层协议（TCP或UDP），当使用TCP协议进行连接时，该Socket连接就是一个TCP连接

  • 套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认

服务器监听

  • 服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求;

客户端请求

  • 指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求;

连接确认

  • 当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求

Socket函数

  • 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read \/write –> 关闭close”模式来操作。可理解Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读\/写IO、打开、关闭）

socket()函数

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

  • socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作

  • 参数

    • domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
    • type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
    • protocol：顾名思义，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

  • 当调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

bind()函数

  • bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • 参数
    • sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建，唯一标识一个socket。bind()函数就是给这个描述字绑定一个名字。
    • addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同
    • addrlen：对应的是地址的长度。通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，由系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个

listen()函数

  • 服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket
int listen(int sockfd, int backlog);
  • listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求

connect()函数

  • 如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端通过listen接收到这个请求

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

accept()函数

  • TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数去接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I\/O操作了，即类同于普通文件的读写I\/O操作
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

  • accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。

  • 注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接收的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭

read()、write()等函数

  • read函数是负责从fd中读取内容。当成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

  • write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd。成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有两种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

close()函数

  • 在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

  • close一个TCP socket的缺省行为是把该socket标记为已关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

  • 注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求

实现Socket服务端监听

  • 实现socket的监听方法
    • 使用C语言实现
    • 使用CocoaAsyncSocket第三方框,内部是对C的封装
  • Telnet命令 telnet host port/telnet 192.168.10.10 5288
    • telnet命令是连接服务器上的某个端又对应的服务

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