Socket过程详细解释（包括三次握手建立连接，四次握手断开连接）

本文的主要内容以下：

• 1、网络中进程之间如何通讯？
• 2、Socket是甚么？
• 3、socket的基本操作
  • 3.1、socket()函数
  • 3.2、bind()函数
  • 3.3、listen()、connect()函数
  • 3.4、accept()函数
  • 3.5、read()、write()函数等
  • 3.6、close()函数
• 4、socket中TCP的3次握手建立连接详解
• 5、socket中TCP的4次握手释放连接详解
• 6、1个例子（实践1下）
• 7、留下1个问题，欢迎大家回帖回答！！！

1、网络中进程之间如何通讯？

本地的进程间通讯（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：

• 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
• 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
• 同享内存（匿名的和具名的）
• 远程进程调用（Solaris门和Sun RPC）

但这些都不是本文的主题！我们要讨论的是网络中进程之间如何通讯？重要解决的问题是如何唯1标识1个进程，否则通讯无从谈起！在本地可以通过进程PID来唯1标识1个进程，但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯1标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯1标识主机中的利用程序（进程）。这样利用3元组（ip地址，协议，端口）就能够标识网络的进程了，网络中的进程通讯就能够利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的利用程序通常采取利用编程接口：UNIX  BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已被淘汰），来实现网络进程之间的通讯。就目前而言，几近所有的利用程序都是采取socket，而现在又是网络时期，网络中进程通讯是无处 不在，这就是我为何说“1切皆socket”。

2、甚么是Socket？

上面我们已知道网络中的进程是通过socket来通讯的，那甚么是socket呢？socket起源于 Unix，而Unix/Linux基本哲学之1就是“1切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的1个实现，socket即是1种特殊的文件，1些socket函数就是对其进行的操作 （读/写IO、打开、关闭），这些函数我们在后面进行介绍。

socket1词的起源

在组网领域的首次使用是在1970年2月12日发布的文献IETF RFC33中 发现的，撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根据美国计算机历史博物馆的记载，Croker写道：“命名空间的元素都可称为套接字接口。1个套接字接口构成1个连接的1端，而1个连接可完 全由1对套接字接口规定。”计算机历史博物馆补充道：“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。”

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的1种实现，那末socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。

3.1、socket()函数

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回1个文件描写字，而socket()用于创建1个socket描写符（socket descriptor），它唯1标识1个socket。这个socket描写字跟文件描写字1样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行1些读写操作。

正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也能够指定不同的参数创建不同的socket描写符，socket函数的3个参数分别为：

• domain：即协议域，又称为协议族（family）。经常使用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通讯中必须采取对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用1个绝对路径名作为地址。
• type：指定socket类型。经常使用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
• protocol：故名思意，就是指定协议。经常使用的协议有，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（这个协议我将会单独开篇讨论！）。

注意：其实不是上面的type和protocol可以随便组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默许协议。

当我们调用socket创建1个socket时，返回的socket描写字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有1个具体的地址。如果想要给它赋值1个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配1个端口。

3.2、bind()函数

正如上面所说bind()函数把1个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把1个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

函数的3个参数分别为：

• sockfd：即socket描写字，它是通过socket()函数创建了，唯1标识1个socket。bind()函数就是将给这个描写字绑定1个名字。
• addr：1个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是： 
  
  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对应的是： 
  
  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域对应的是： 
  
  #define UNIX_PATH_MAX 108 struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */ char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ };
• addrlen：对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会绑定1个尽人皆知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就能够通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配1个端口号和本身的ip地址组合。这就是为何通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成1个。

网络字节序与主机字节序

主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。援用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义以下：

　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

网络字节序：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这类传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的2进制整数在网络中传输时都要求以这类次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于1个字节类型的数据在内存中的寄存顺序，1个字节的数据没有顺序的问题了。

所以： 在将1个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序1样使用的是Big-Endian。由于 这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，致使了很多稀里糊涂的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务势必其转化为网络字节序再 赋给socket。

3.3、listen()、connect()函数

如果作为1个服务器，在调用socket()、bind()以后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时候调用connect()发出连接要求，服务器端就会接收到这个要求。

listen函数的第1个参数即为要监听的socket描写字，第2个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默许是1个主动类型的，listen函数将socket变成被动类型的，等待客户的连接要求。

connect函数的第1个参数即为客户真个socket描写字，第2参数为服务器的socket地址，第3个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

3.4、accept()函数

TCP服务器端顺次调用socket()、bind()、listen()以后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端顺次调用socket()、connect()以后就想TCP服务器发送了1个连接要求。TCP服务器监听到这个要求以后，就会调用accept()函数取接收要求，这样连接就建立好了。以后就能够开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

accept函数的第1个参数为服务器的socket描写字，第2个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户真个协议地址，第3个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那末其返回值是由内核自动生成的1个全新的描写字，代表与返回客户的TCP连接。

注意：accept的第1个参数为服务器的socket描写字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描写字；而accept函数返回的是已连接的socket描写字。1个服务器通常通常仅仅只创建1个监听socket描写字，它在该服务器的生命周期内1直存在。内核为每一个由服务器进程接受的客户连接创建了1个已连接socket描写字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描写字就被关闭。

3.5、read()、write()等函数

万事具有只欠东风，至此服务器与客户已建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通讯！网络I/O操作有下面几组：

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

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明以下：

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已读到文件的结束了，小于0表示出现了毛病。如果毛病为EINTR说明读是由中断引发的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描写符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回⑴，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描写符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部份或是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了 毛病。我们要根据毛病类型来处理。如果毛病为EINTR表示在写的时候出现了中断毛病。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已关闭了连接)。

其它的我就不逐一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。

3.6、close()函数

在服务器与客户端建立连接以后，会进行1些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描写字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

close1个TCP socket的缺省行动时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描写字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第1个参数。

注意：close操作只是使相应socket描写字的援用计数⑴，只有当援用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接要求。

4、socket中TCP的3次握手建立连接详解

我们知道tcp建立连接要进行“3次握手”，即交换3个分组。大致流程以下：

• 客户端向服务器发送1个SYN J
• 服务器向客户端响应1个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
• 客户端再想服务器发1个确认ACK K+1

只有就完了3次握手，但是这个3次握手产生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

图1、socket中发送的TCP3次握手

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接要求，向服务器发送了SYN J包，这时候connect进入阻塞状态；服务器监听到连接要求，即收到SYN J包，调用accept函 数接收要求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时候accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1以后，这时候connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此3次握手终了，连接建立。

总结：客户真个connect在3次握手的第2个次返回，而服务器真个accept在3次握手的第3次返回。

5、socket中TCP的4次握手释放连接详解

上面介绍了socket中TCP的3次握手建立进程，及其触及的socket函数。现在我们介绍socket中的4次握手释放连接的进程，请看下图：

图2、socket中发送的TCP4次握手

图示进程以下：

• 某个利用进程首先调用close主动关闭连接，这时候TCP发送1个FIN M；
• 另外一端接收到FIN M以后，履行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给利用进程，由于FIN的接收意味着利用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
• 1段时间以后，接收到文件结束符的利用进程调用close关闭它的socket。这致使它的TCP也发送1个FIN N；
• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每一个方向上都有1个FIN和ACK。

6、1个例子（实践1下）

说了这么多了，动手实践1下。下面编写1个简单的服务器、客户端（使用TCP）——服务器端1直监听本机的6666号端口，如果收到连接要求，将接收要求并接收客户端发来的消息；客户端与服务器端建立连接并发送1条消息。

服务器端代码：

1 服务器端 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 }

客户端代码：

客户端

1 客户端 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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