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基本的 Socket 模型

什么是Socket

Socket 的中文名叫作插口,咋一看还挺迷惑的。事实上,双方要进行网络通信前,各自得创建一个 Socket,这相当于客户端和服务器都开了一个“口子”,双方读取和发送数据的时候,都通过这个“口子”。这样一看,是不是觉得很像弄了一根网线,一头插在客户端,一头插在服务端,然后进行通信。创建 Socket 的时候,可以指定网络层使用的是 IPv4 还是 IPv6,传输层使用的是 TCP 还是 UDP。

建立过程

服务端首先调用 socket() 函数,创建网络协议为 IPv4,以及传输协议为 TCP 的 Socket ,接着调用 bind() 函数,给这个 Socket 绑定一个 IP 地址和端口,绑定这两个的目的是什么?

  • 绑定端口的目的:当内核收到 TCP 报文,通过 TCP 头里面的端口号,来找到我们的应用程序,然后把数据传递给我们。
  • 绑定 IP 地址的目的:一台机器是可以有多个网卡的,每个网卡都有对应的 IP 地址,当绑定一个网卡时,内核在收到该网卡上的包,才会发给我们;

绑定完 IP 地址和端口后,就可以调用 listen() 函数进行监听,此时对应 TCP 状态图中的 listen,如果我们要判定服务器中一个网络程序有没有启动,可以通过 netstat 命令查看对应的端口号是否有被监听。

服务端进入了监听状态后,通过调用 accept() 函数,来从内核获取客户端的连接,如果没有客户端连接,则会阻塞等待客户端连接的到来。

那客户端是怎么发起连接的呢?客户端在创建好 Socket 后,调用 connect() 函数发起连接,该函数的参数要指明服务端的 IP 地址和端口号,然后万众期待的 TCP 三次握手就开始了。

在 TCP 连接的过程中,服务器的内核实际上为每个 Socket 维护了两个队列:

  • 一个是「还没完全建立」连接的队列,称为 TCP 半连接队列,这个队列都是没有完成三次握手的连接,此时服务端处于 syn_rcvd 的状态;
  • 一个是「已经建立」连接的队列,称为 TCP 全连接队列,这个队列都是完成了三次握手的连接,此时服务端处于 established 状态;

当 TCP 全连接队列不为空后,服务端的 accept() 函数,就会从内核中的 TCP 全连接队列里拿出一个已经完成连接的 Socket 返回应用程序,后续数据传输都用这个 Socket。

注意,监听的 Socket 和真正用来传数据的 Socket 是两个:

  • 一个叫作监听 Socket
  • 一个叫作已连接 Socket

连接建立后,客户端和服务端就开始相互传输数据了,双方都可以通过 read() 和 write() 函数来读写数据。

至此, TCP 协议的 Socket 程序的调用过程就结束了,整个过程如下图:

基于 Linux 一切皆文件的理念,在内核中 Socket 也是以「文件」的形式存在的,也是有对应的文件描述符。

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