Socket调用过程是怎样的

Socket由来

在学习一个新知识之前,要去想它为什么会出现,它的出现解决了什么问题.这样印象才会深刻一些.

在同一个主机下,两个进程间的通讯是很容易,直接把各种通讯细节交给操作系统去做就 OK 了.但是如果两个进程是处于不同主机下呢?该如何进行通讯呢?而且在实际的应用场景中,是很复杂的,有的使用 TCP 协议,有的使用 UDP 协议,那么当我们使用不同的协议进行通信时,是不是就要使用不同的接口?同时还要处理不同协议的各种通讯细节,这样一来,是不是就增加了开发的难度,同时软件不容易进行扩展.

编程思想之一就是「面向对象」,同样,在遇到这种问题时,我能不能把不同协议的通信细节抽出来,这样程序员在使用的时候,直接调用,就不需要再关注协议本身了.而这就是 Socket 的由来.

它提供接口,来进行互联的不同主机之间的进程通信.你想要让不同主机之间通信? OK ,你直接调用我就行,至于我怎么实现,程序员不需要 care .

在上面的基础上,我们能够达成一个共识:如果一个应用,需要在客户端和服务端之间进行通信,那就需要创建一个 Socket 实例. 那么问题来了,我如何使用?

Socket 进行的是端到端的通信,中间经过多少局域网,路过多少路由器,我是不清晰的,所以能够设置的参数,也只是端到端协议之上的网络层和传输层. 在网络层, Socket 函数需要指定使用到的协议到底是 IPv4 还是 IPv6 ,分别对应设置为 AF_INET 和 AF_INET6 .此外,还需要说明你是使用 TCP 协议,还是 UDP 协议. TCP 协议是基于数据流的,所以设置为 SOCK_STREAM , UDP 是基于数据报的,因而设置为 SOCK_DGRAM .

Socket调用过程

客户端和服务端创建 Socket 之后, TCP 的服务端要先监听一个端口,一般是先调用 bind 函数,给这个 Socket 赋予一个 IP 地址和端口.为什么需要 IP 地址呢?有时候一台机器会有多个网卡,相应的就会有多个 IP 地址,可以选择监听所有的网卡,也可以选择监听一个网卡,这样只有发给这个网卡的包,才会给你.那我为什么还需要端口呢?你要知道,你写的是一个应用程序,当一个网络包来的时候,内核是需要通过 TCP 头里面的这个端口,来定位到你这个应用程序的.

此时,当服务端有了 IP 和端口号,就可以调用 listen 函数进行监听.在 TCP 的状态图中,有一个 listen 状态,当调用这个函数之后,服务端就进入了这个状态,这个时候客户端那边就可以发起连接了.

在内核中,为每个 Socket 维护了两个队列,一个是已经建立了连接的队列,说明此时三次握手已经完毕,处于 established 状态;一个是还没有完全建立连接的队列,也就是说这个时候三次握手还没完成,处于 syn_rcvd 的状态.

接下来,服务端调用 accept 函数,拿出一个已经完成的连接进行处理.如果客户端还没有完全建立连接,没别的办法,就等着咯.

在服务端等待的时候,客户端可以通过 connect 函数发起连接.现在参数中指明要连接的 IP 地址和端口号,然后开始发起三次握手.内核会给客户端分配一个临时的端口,一旦握手成功,服务端的 accept 就会返回另一个 Socket .

注意一下,在这里有一个经常考察的知识点,就是监听的 Socket 和真正用来传数据的 Socket 是两个,一个叫做「监听 Socket 」,一个叫做「已连接 Socket 」.

连接建立成功之后,双方就开始通过 read 和 write 函数来读写数据,就像往一个文件流里面写东西一样.之所以把 TCP 的 Socket 描述成一个文件流,是因为 Socket 在 Linux 中就是以文件的形式存在的.

在内核中, Socket 是一个文件,那对应就有文件描述符.每一个进程都有一个数据结构 task_struct ,里面指向一个文件描述符数组,来列出这个进程打开的所有文件的文件描述符.文件描述符是一个整数,是这个数组的下标.

这个数组中的内容是一个指针,指向内核中所有打开的文件的列表.既然是一个文件,就会有一个 inode ,只不过 Socket 对应的 inode 不像真正的文件系统一样,保存在硬盘上,而是在内存中.在这个 inode 中,指向了 Socket 在内核中的 Socket 结构.

在这个结构中,主要的是两个队列,一个是发送队列,一个是接收队列.在这两个队列里面保存的是一个缓存 sk_buff .这个缓存中能够看到完整的包的结构.

以上,就是基于 TCP 协议的 Socket 程序函数调用过程的一个描述

接下来说说基于 UDP 协议的 Socket 程序函数调用过程.

基于 UDP 协议的 Socket 程序函数调用过程 对于 UDP 来说,和 TCP 还是有些不一样的.首先, UDP 是没有连接的,也就不需要三次握手,也不需要调用 listen 和 connect ,但是 UDP 的交互仍然需要 IP 和端口号,那就需要 bind .

UDP 是没有维护连接状态的,也就不需要对每对连接建立一组 Socket ,而是只要有一个 Socket 就可以和多个客户端通信.也是因为没有连接状态,所以每次通信的时候,都调用 sendto 和 recvfrom ,这样才可以传入 IP 地址和端口.