Socket通信原理

　　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。Socket本质是编程接口（API），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，可以用来实现不同计算机之间的通信。

　　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在建立网络连接时使用。连接成功时，应用程序两端都会产生一个Socket实例，操作这个实例，完成所需的会话。在Internet上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。

　　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。

1、网络进程通信

　　如何标识网络中的一个进程呢？在本地可以通过进程PID来标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实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，而传输层的协议和端口可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（IP地址，协议，端口）就可以标识网络中的进程了。网络中进程之间的通信就利用socket来完成。

2、通信过程

（1）服务器端初始化socket()

（2）绑定端口bind()

（3）监听端口listen()

（4）调用accept()阻塞，等待客户端连接

（5）客户端初始化一个socket()

（6）连接服务器connect()

（7）客户端/服务器端I/O读写

（8）关闭连接close()

3、socket接口函数

3.1  socket()函数。用于创建一个socket套接字描述符，唯一标识一个socket。

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

• domain：即协议域，又称为协议族。常用的协议族有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE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）与端口号（16位）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。
• protocol：指定传输协议。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。

3.2  bind()函数。把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET就是把一个IPV4地址和端口号组合赋给socket。

int bind(SOCKET socket, const struct sockaddr* address, socklen_t address_len)

函数的三个参数分别为：

• socket：套接字描述符，它是通过socket()函数创建，唯一标识一个socket。bind()函数就是给这个套接字描述符绑定一个名字。
• address：是一个sockaddr结构指针，包含了要结合的IP地址和端口号。
• address_len：address缓冲区的长度。

如果函数执行成功，返回值为0，否则为SOCKET_ERROR。

3.3  listen()、connect()函数

如果是服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果是客户端调用connect()发出连接请求。

int listen(int sockfd, int backlog)

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)

listen()函数的第一个参数是要监听的socket套接字描述符，第二个参数是socket可以排队的最大连接数。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()函数的第一个参数是客户端的socket套接字描述符，第二参数是服务器端的socket地址，第三个参数是socket地址的长度。

3.4  accept()函数

TCP客户端调用connect()函数，就会向TCP服务器端发送一个连接请求。TCP服务器端监听到这个请求后，就会调用accept()函数接收请求。

int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen)

accept()函数的第一个参数是服务器端的socket套接字描述符，第二个参数是指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数是协议地址的长度。

如果accpet成功，那么返回值是由内核自动生成的一个新的socket套接字描述符，服务器端把这个新的套接字描述符发给客户端，一旦客户端确认了此描述，连接就建立好了。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。

注意：accept()函数的第一个参数是服务器开始调用socket()函数生成的套接字描述符，称为监听socket描述符；而accept()函数返回的是已连接的socket描述符。一个服务器通常仅仅创建一个监听socket描述符，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为服务器进程接收的客户端连接分别创建一个已连接socket描述符，当服务器完成了对某个客户端的服务，相应的已连接socket描述符就被关闭。

3.5  read()、write()等函数

调用网络I/O进行读写操作，有下面几组：

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

3.6  close()函数

在服务器端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描述符。