Socket過程詳細解釋（包括三次握手建立連接，四次握手斷開連接）

本文的主要內容以下：

• 1、網絡中進程之間如何通訊？
• 2、Socket是甚么？
• 3、socket的基本操作
  • 3.1、socket()函數
  • 3.2、bind()函數
  • 3.3、listen()、connect()函數
  • 3.4、accept()函數
  • 3.5、read()、write()函數等
  • 3.6、close()函數
• 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個例子（實踐1下）
• 7、留下1個問題，歡迎大家回帖回答！！！

1、網絡中進程之間如何通訊？

本地的進程間通訊（IPC）有很多種方式，但可以總結為下面4類：

• 消息傳遞（管道、FIFO、消息隊列）
• 同步（互斥量、條件變量、讀寫鎖、文件和寫記錄鎖、信號量）
• 同享內存（匿名的和具名的）
• 遠程進程調用（Solaris門和Sun RPC）

但這些都不是本文的主題！我們要討論的是網絡中進程之間如何通訊？重要解決的問題是如何唯1標識1個進程，否則通訊無從談起！在本地可以通過進程PID來唯1標識1個進程，但是在網絡中這是行不通的。其實TCP/IP協議族已幫我們解決了這個問題，網絡層的“ip地址”可以唯1標識網絡中的主機，而傳輸層的“協議+端口”可以唯1標識主機中的利用程序（進程）。這樣利用3元組（ip地址，協議，端口）就能夠標識網絡的進程了，網絡中的進程通訊就能夠利用這個標志與其它進程進行交互。

使用TCP/IP協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），來實現網絡進程之間的通訊。就目前而言，幾近所有的利用程序都是采取socket，而現在又是網絡時期，網絡中進程通訊是無處 不在，這就是我為何說“1切皆socket”。

2、甚么是Socket？

上面我們已知道網絡中的進程是通過socket來通訊的，那甚么是socket呢？socket起源于 Unix，而Unix/Linux基本哲學之1就是“1切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的1個實現，socket即是1種特殊的文件，1些socket函數就是對其進行的操作 （讀/寫IO、打開、關閉），這些函數我們在后面進行介紹。

socket1詞的起源

在組網領域的首次使用是在1970年2月12日發布的文獻IETF RFC33中 發現的，撰寫者為Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據美國計算機歷史博物館的記載，Croker寫道：“命名空間的元素都可稱為套接字接口。1個套接字接口構成1個連接的1端，而1個連接可完 全由1對套接字接口規定。”計算機歷史博物館補充道：“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種實現，那末socket就提供了這些操作對應的函數接口。下面以TCP為例，介紹幾個基本的socket接口函數。

3.1、socket()函數

socket函數對應于普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回1個文件描寫字，而socket()用于創建1個socket描寫符（socket descriptor），它唯1標識1個socket。這個socket描寫字跟文件描寫字1樣，后續的操作都有用到它，把它作為參數，通過它來進行1些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同參數值，以打開不同的文件。創建socket的時候，也能夠指定不同的參數創建不同的socket描寫符，socket函數的3個參數分別為：

• domain：即協議域，又稱為協議族（family）。經常使用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型，在通訊中必須采取對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用1個絕對路徑名作為地址。
• type：指定socket類型。經常使用的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，就是指定協議。經常使用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（這個協議我將會單獨開篇討論！）。

注意：其實不是上面的type和protocol可以隨便組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type類型對應的默許協議。

當我們調用socket創建1個socket時，返回的socket描寫字它存在于協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有1個具體的地址。如果想要給它賦值1個地址，就必須調用bind()函數，否則就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配1個端口。

3.2、bind()函數

正如上面所說bind()函數把1個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把1個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

函數的3個參數分別為：

• sockfd：即socket描寫字，它是通過socket()函數創建了，唯1標識1個socket。bind()函數就是將給這個描寫字綁定1個名字。
• addr：1個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址創建socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是： 
  
  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對應的是： 
  
  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域對應的是： 
  
  #define UNIX_PATH_MAX 108 struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */ char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ };
• addrlen：對應的是地址的長度。

通常服務器在啟動的時候都會綁定1個盡人皆知的地址（如ip地址+端口號），用于提供服務，客戶就能夠通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配1個端口號和本身的ip地址組合。這就是為何通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成1個。

網絡字節序與主機字節序

主機字節序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節序類型，這些字節序是指整數在內存中保存的順序，這個叫做主機序。援用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義以下：

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

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

網絡字節序：4個字節的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序。由于TCP/IP首部中所有的2進制整數在網絡中傳輸時都要求以這類次序，因此它又稱作網絡字節序。字節序，顧名思義字節的順序，就是大于1個字節類型的數據在內存中的寄存順序，1個字節的數據沒有順序的問題了。

所以： 在將1個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成為網絡字節序，而不要假定主機字節序跟網絡字節序1樣使用的是Big-Endian。由于 這個問題曾引發過血案！公司項目代碼中由于存在這個問題，致使了很多稀里糊涂的問題，所以請謹記對主機字節序不要做任何假定，務勢必其轉化為網絡字節序再 賦給socket。

3.3、listen()、connect()函數

如果作為1個服務器，在調用socket()、bind()以后就會調用listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時候調用connect()發出連接要求，服務器端就會接收到這個要求。

listen函數的第1個參數即為要監聽的socket描寫字，第2個參數為相應socket可以排隊的最大連接個數。socket()函數創建的socket默許是1個主動類型的，listen函數將socket變成被動類型的，等待客戶的連接要求。

connect函數的第1個參數即為客戶真個socket描寫字，第2參數為服務器的socket地址，第3個參數為socket地址的長度。客戶端通過調用connect函數來建立與TCP服務器的連接。

3.4、accept()函數

TCP服務器端順次調用socket()、bind()、listen()以后，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端順次調用socket()、connect()以后就想TCP服務器發送了1個連接要求。TCP服務器監聽到這個要求以后，就會調用accept()函數取接收要求，這樣連接就建立好了。以后就能夠開始網絡I/O操作了，即類同于普通文件的讀寫I/O操作。

accept函數的第1個參數為服務器的socket描寫字，第2個參數為指向struct sockaddr *的指針，用于返回客戶真個協議地址，第3個參數為協議地址的長度。如果accpet成功，那末其返回值是由內核自動生成的1個全新的描寫字，代表與返回客戶的TCP連接。

注意：accept的第1個參數為服務器的socket描寫字，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱為監聽socket描寫字；而accept函數返回的是已連接的socket描寫字。1個服務器通常通常僅僅只創建1個監聽socket描寫字，它在該服務器的生命周期內1直存在。內核為每一個由服務器進程接受的客戶連接創建了1個已連接socket描寫字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描寫字就被關閉。

3.5、read()、write()等函數

萬事具有只欠東風，至此服務器與客戶已建立好連接了。可以調用網絡I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同進程之間的通訊！網絡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，這兩個函數是最通用的I/O函數，實際上可以把上面的其它函數都替換成這兩個函數。它們的聲明以下：

read函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的字節數，如果返回的值是0表示已讀到文件的結束了，小于0表示出現了毛病。如果毛病為EINTR說明讀是由中斷引發的，如果是ECONNREST表示網絡連接出了問題。

write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描寫符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回⑴，并設置errno變量。 在網絡程序中，當我們向套接字文件描寫符寫時有倆種可能。1)write的返回值大于0，表示寫了部份或是全部的數據。2)返回的值小于0，此時出現了 毛病。我們要根據毛病類型來處理。如果毛病為EINTR表示在寫的時候出現了中斷毛病。如果為EPIPE表示網絡連接出現了問題(對方已關閉了連接)。

其它的我就不逐一介紹這幾對I/O函數了，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

在服務器與客戶端建立連接以后，會進行1些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描寫字，好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。

close1個TCP socket的缺省行動時把該socket標記為以關閉，然后立即返回到調用進程。該描寫字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作為read或write的第1個參數。

注意：close操作只是使相應socket描寫字的援用計數⑴，只有當援用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接要求。

4、socket中TCP的3次握手建立連接詳解

我們知道tcp建立連接要進行“3次握手”，即交換3個分組。大致流程以下：

• 客戶端向服務器發送1個SYN J
• 服務器向客戶端響應1個SYN K，并對SYN J進行確認ACK J+1
• 客戶端再想服務器發1個確認ACK K+1

只有就完了3次握手，但是這個3次握手產生在socket的那幾個函數中呢？請看下圖：

圖1、socket中發送的TCP3次握手

從圖中可以看出，當客戶端調用connect時，觸發了連接要求，向服務器發送了SYN J包，這時候connect進入阻塞狀態；服務器監聽到連接要求，即收到SYN J包，調用accept函 數接收要求向客戶端發送SYN K ，ACK J+1，這時候accept進入阻塞狀態；客戶端收到服務器的SYN K ，ACK J+1以后，這時候connect返回，并對SYN K進行確認；服務器收到ACK K+1時，accept返回，至此3次握手終了，連接建立。

總結：客戶真個connect在3次握手的第2個次返回，而服務器真個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次握手建立進程，及其觸及的socket函數。現在我們介紹socket中的4次握手釋放連接的進程，請看下圖：

圖2、socket中發送的TCP4次握手

圖示進程以下：

• 某個利用進程首先調用close主動關閉連接，這時候TCP發送1個FIN M；
• 另外一端接收到FIN M以后，履行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也作為文件結束符傳遞給利用進程，由于FIN的接收意味著利用進程在相應的連接上再也接收不到額外數據；
• 1段時間以后，接收到文件結束符的利用進程調用close關閉它的socket。這致使它的TCP也發送1個FIN N；
• 接收到這個FIN的源發送端TCP對它進行確認。

這樣每一個方向上都有1個FIN和ACK。

6、1個例子（實踐1下）

說了這么多了，動手實踐1下。下面編寫1個簡單的服務器、客戶端（使用TCP）——服務器端1直監聽本機的6666號端口，如果收到連接要求，將接收要求并接收客戶端發來的消息；客戶端與服務器端建立連接并發送1條消息。

服務器端代碼：

1 服務器端 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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