Socket理論知識(shí)

網(wǎng)絡(luò)七層，由上到下分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。（物數(shù)網(wǎng)傳會(huì)表應(yīng)）
其中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層通常被稱作媒體層，是網(wǎng)絡(luò)工程師所研究的對(duì)象；
傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層則被稱作主機(jī)層，是用戶所面向和關(guān)心的內(nèi)容。

• http協(xié)議對(duì)應(yīng)于應(yīng)用層
• tcp/udp協(xié)議對(duì)應(yīng)于傳輸層
• ip協(xié)議對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)層

三者本質(zhì)上沒(méi)有可比性。
HTTP協(xié)議是基于TCP連接的。
TCP/IP是傳輸層協(xié)議，主要解決數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)絡(luò)中傳輸；
而HTTP是應(yīng)用層協(xié)議，主要解決如何包裝數(shù)據(jù)。

我們?cè)趥鬏敂?shù)據(jù)時(shí)，可以只使用傳輸層（TCP/IP），但是那樣的話，由于沒(méi)有應(yīng)用層，便無(wú)法識(shí)別數(shù)據(jù)內(nèi)容，如果想要使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有意義，則必須使用應(yīng)用層協(xié)議，應(yīng)用層協(xié)議很多，有HTTP、FTP、TELNET等等，也可以自己定義應(yīng)用層協(xié)議。
WEB使用HTTP作傳輸層協(xié)議，以封裝HTTP文本信息，然后使用TCP/IP做傳輸層協(xié)議將它發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

Socket是對(duì)TCP/IP協(xié)議的封裝，Socket本身并不是協(xié)議，而是一個(gè)調(diào)用接口（API），通過(guò)Socket，我們才能使用TCP/IP協(xié)議。

什么是Socket

Socket又被稱之為“套接字”，是系統(tǒng)提供的用于網(wǎng)絡(luò)通信的方法。即網(wǎng)絡(luò)上的兩個(gè)程序通過(guò)一個(gè)雙向的通信連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，這個(gè)連接的一端，稱之為Socket。
它的實(shí)質(zhì)并不是一種協(xié)議，沒(méi)有規(guī)定計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)怎么樣傳遞消息，只是給程序員提供了一個(gè)發(fā)送消息的接口，程序員使用這個(gè)接口提供的方法，發(fā)送與接收消息。
Socket描述了一個(gè)IP、端口對(duì)。它簡(jiǎn)化了程序員的操作，知道對(duì)方的IP以及PORT就可以給對(duì)方發(fā)送消息，再由服務(wù)器端來(lái)處理發(fā)送的這些消息。所以，Socket一定包含了通信的雙方，即客戶端（Client）與服務(wù)端（server）。

網(wǎng)絡(luò)通信里的要素

• 網(wǎng)絡(luò)上的請(qǐng)求就是通過(guò)Socke來(lái)建立連接，然后互相通信的。
• IP地址（網(wǎng)絡(luò)上主機(jī)設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)）
• 端口號(hào)（定位程序）
• 用于標(biāo)示進(jìn)程的邏輯地址，不同的進(jìn)程的標(biāo)示
• 有效端口：0_{65535，其中0}1024是系統(tǒng)使用或是保留端口，開(kāi)發(fā)使用1024以上
• 傳輸協(xié)議
• 常見(jiàn)協(xié)議：TCP、UDP

TCP（傳輸控制協(xié)議）

• 建立連接，形成傳輸數(shù)據(jù)的通道
• 在連接中進(jìn)行大數(shù)據(jù)傳輸（數(shù)據(jù)大小不受限制）
• 通過(guò)三次握手完成連接，是可靠協(xié)議，安全送達(dá)
• 必須建立連接，效率會(huì)低

TCP是面向連接的、傳輸可靠(保證數(shù)據(jù)正確性且保證數(shù)據(jù)順序)、用于傳輸大量數(shù)據(jù)(流模式)、速度慢，建立連接需要開(kāi)銷較多(時(shí)間，系統(tǒng)資源)。

TCP是一種流模式的協(xié)議，是面向連接的，也就是說(shuō)，在連接持續(xù)的過(guò)程中，socket中收到的數(shù)據(jù)都是由同一臺(tái)主機(jī)發(fā)出的（劫持什么的不考慮），因此，知道保證數(shù)據(jù)是有序的到達(dá)就行了，至于每次讀取多少數(shù)據(jù)不關(guān)心。

要建立連接的方式，就是TCP方式（http）

TCP三次握手

所謂三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一個(gè)TCP連接時(shí)，需要客戶端和服務(wù)器總共發(fā)送3個(gè)包。三次握手的目的是連接服務(wù)器指定端口，建立TCP連接,并同步連接雙方的序列號(hào)和確認(rèn)號(hào)并交換TCP窗口大小信息。在socket編程中，客戶端執(zhí)行connect()時(shí)，將觸發(fā)三次握手（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）：

image.png

SYN（synchronous）是同步標(biāo)志；ACK (Acknowledgement）是確認(rèn)標(biāo)志，seq是序列號(hào)。

• 第一次握手：客戶端發(fā)送一個(gè)TCP的SYN標(biāo)志位置1的包，指明客戶打算連接的服務(wù)器的端口，以及初始序號(hào)X,保存在包頭的序列號(hào)字段里。
• 第二次握手：服務(wù)器發(fā)回確認(rèn)包(ACK)應(yīng)答。即SYN標(biāo)志位和ACK標(biāo)志位均為1同時(shí)，將確認(rèn)序號(hào)設(shè)置為客戶的序列號(hào)加1以，即X+1。
• 第三次握手：客戶端再次發(fā)送確認(rèn)包(ACK) SYN標(biāo)志位為0，ACK標(biāo)志位為1。并且把服務(wù)器發(fā)來(lái)ACK的序號(hào)字段+1，放在確定字段中發(fā)送給對(duì)方.并且在數(shù)據(jù)段放寫序列號(hào)的+1。

比如：A給B打電話，B:喂（第一次響應(yīng)）A：喂（第二次響應(yīng)）老王啊。。。（第三次響應(yīng)）

TCP客戶端-服務(wù)器程序設(shè)計(jì)基本框架

1255547-46e1ea6fe74c2cdd.jpg

UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）

• 將數(shù)據(jù)及源和目的封裝成數(shù)據(jù)包中，不需要建立連接
• 每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的大小限制在64K之內(nèi)
• 無(wú)需連接（不通過(guò)三次握手），因策是不可靠協(xié)議
• 不需要建立連接，速度快

UDP是面向無(wú)連接、傳輸不可靠、用于傳輸少量數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)包模式)、速度快的傳輸層協(xié)議。注意，UDP傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)報(bào)包，而TCP是流。

UDP是面向無(wú)連接的協(xié)議，只要知道接收端的IP和端口，且網(wǎng)絡(luò)是可達(dá)的，任何主機(jī)都可以向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)。這時(shí)候，如果一次能讀取超過(guò)一個(gè)報(bào)文的數(shù)據(jù)，則會(huì)亂套。
比如，主機(jī)A向發(fā)送了報(bào)文P1，主機(jī)B發(fā)送了報(bào)文P2，如果能夠讀取超過(guò)一個(gè)報(bào)文的數(shù)據(jù)，那么就會(huì)將P1和P2的數(shù)據(jù)合并在了一起，這樣的數(shù)據(jù)是沒(méi)有意義的。

UDP的使用，比如廣播

UDP客戶端-服務(wù)端程序設(shè)計(jì)基本框架

1255547-1408d36562bec859.jpg

Socket通信過(guò)程

每一個(gè)應(yīng)用或是服務(wù)都有一個(gè)端口。比如DNS的端口號(hào)53，http的端口號(hào)80都是對(duì)應(yīng)一個(gè)應(yīng)用或者服務(wù)的端口。我們能由DNS請(qǐng)求到查詢信息，是因?yàn)镈NS服務(wù)器時(shí)時(shí)刻刻都在監(jiān)聽(tīng)53端口，當(dāng)收到我們的查詢請(qǐng)求以后，就能夠返回我們想要的IP信息。所以，從程序設(shè)計(jì)上來(lái)講，應(yīng)該包含以下步驟：

• 服務(wù)端利用Socket監(jiān)聽(tīng)端口
• 客戶端發(fā)起連接
• 服務(wù)端返回信息，建立連接，開(kāi)始通信
• 客戶端，服務(wù)端斷開(kāi)連接

Socket原理

Socket是通訊的根本，是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元。它是網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中端點(diǎn)的抽象表示，包含進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信必須的五種信息：連接使用的協(xié)議，本地主機(jī)地址的IP地址，本地進(jìn)程的協(xié)議端口，遠(yuǎn)地主機(jī)的IP地址，遠(yuǎn)地進(jìn)程的協(xié)議端口。

應(yīng)用層通過(guò)傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，TCP會(huì)遇到同時(shí)為多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程提供并發(fā)服務(wù)的問(wèn)題。
多個(gè)TCP連接或多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程可能需要通過(guò)同一個(gè)TCP協(xié)議端口傳輸數(shù)據(jù)。
為了區(qū)別不同的應(yīng)用程序和連接，許多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序與TCP/IP協(xié)議交互提供了Socket接口。
應(yīng)用層可以和傳輸層通過(guò)Socket接口，區(qū)分來(lái)自不同應(yīng)用程序進(jìn)程或網(wǎng)絡(luò)連接的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟l(fā)服務(wù)。

Socket連接

建立Socket連接至少需要一對(duì)套接字，其中一個(gè)運(yùn)行與客戶端，稱之為ClientSocket；另一個(gè)運(yùn)行于服務(wù)端，稱之為ServerSocket。

Socket之間的連接過(guò)程分為三個(gè)步驟：

• 服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)：服務(wù)器端套接字并不定位具體的客戶端套接字，而是處于等待連接的狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，等待客戶端的連接請(qǐng)求
• 客戶端請(qǐng)求：指客戶端的套接字提出連接請(qǐng)求，要連接的目標(biāo)是服務(wù)器端的套接字。為此，客戶端的套接字必須首先描述它要連接的服務(wù)器的套接字，指出服務(wù)器端套接字的地址和端口號(hào)，然后就向服務(wù)器端套接字提出連接請(qǐng)求
• 連接確認(rèn)：當(dāng)服務(wù)器端套接字監(jiān)聽(tīng)到或者說(shuō)接收到客戶端套接字的連接請(qǐng)求時(shí)，就響應(yīng)客戶端套接字的請(qǐng)求，建立一個(gè)新的線程，把服務(wù)器端套接字的描述發(fā)給客戶端，一旦客戶端確認(rèn)了此描述，雙方就正式建立連接。而服務(wù)器端套接字繼續(xù)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，繼續(xù)接收其他客戶端套接字的連接請(qǐng)求