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通過實例解析Socket套接字通信原理

更新時間：2020年12月04日 11:57:53 作者：wzhvictor

這篇文章主要介紹了通過實例解析Socket套接字通信原理,文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值,需要的朋友可以參考下

一、Socket是什么

Socket 的中文翻譯過來就是“套接字”。套接字是什么，我們先來看看它的英文含義：插座。

Socket 就像一個電話插座，負責連通兩端的電話，進行點對點通信，讓電話可以進行通信，端口就像插座上的孔，端口不能同時被其他進程占用。而我們建立連接就像把插頭插在這個插座上，創(chuàng)建一個 Socket 實例開始監(jiān)聽后，這個電話插座就時刻監(jiān)聽著消息的傳入，誰撥通我這個“IP 地址和端口”，我就接通誰。

實際上，Socket 是在應用層和傳輸層之間的一個抽象層，它把 TCP/IP 層復雜的操作抽象為幾個簡單的接口，供應用層調(diào)用實現(xiàn)進程在網(wǎng)絡(luò)中的通信。Socket 起源于 UNIX，在 UNIX 一切皆文件的思想下，進程間通信就被冠名為文件描述符（file descriptor），Socket 是一種“打開—讀/寫—關(guān)閉”模式的實現(xiàn)，服務(wù)器和客戶端各自維護一個“文件”，在建立連接打開后，可以向文件寫入內(nèi)容供對方讀取或者讀取對方內(nèi)容，通訊結(jié)束時關(guān)閉文件。

另外我們經(jīng)常說到的Socket 所在位置如下圖：

二、Socket有哪些類型

世界上有很多種套接字（socket），比如 DARPA Internet 地址（Internet 套接字）、本地節(jié)點的路徑名（Unix套接字）、CCITT X.25地址（X.25 套接字）等。我們只介紹第一種套接字——Internet 套接字，它是最具代表性的，也是最經(jīng)典最常用的。以后我們提及套接字，指的都是 Internet 套接字。

根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸方式，可以將 Internet 套接字分成兩種類型。

流格式套接字（SOCK_STREAM）

流格式套接字（Stream Sockets）也叫“面向連接的套接字”，是一種可靠的、雙向的通信數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)可以準確無誤地到達另一臺計算機，如果損壞或丟失，可以重新發(fā)送。

其特點：

數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會消失；
數(shù)據(jù)是按照順序傳輸?shù)模?/li>
數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收不是同步的（有的教程也稱“不存在數(shù)據(jù)邊界”）。

可以將SOCK_STREAM 比喻成一條傳送帶，只要傳送帶本身沒有問題（不會斷網(wǎng)），就能保證數(shù)據(jù)不丟失；同時，較晚傳送的數(shù)據(jù)不會先到達，較早傳送的數(shù)據(jù)不會晚到達，這就保證了數(shù)據(jù)是按照順序傳遞的。

為什么流格式套接字可以達到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸呢？這是因為它使用了 TCP 協(xié)議（The Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議），TCP 協(xié)議會控制你的數(shù)據(jù)按照順序到達并且沒有錯誤。

你也許見過 TCP，是因為你經(jīng)常聽說“TCP/IP”。TCP 用來確保數(shù)據(jù)的正確性，IP（Internet Protocol，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）用來控制數(shù)據(jù)如何從源頭到達目的地，也就是常說的“路由”。

那么，“數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收不同步”該如何理解呢？

假設(shè)傳送帶傳送的是水果，接收者需要湊齊 100 個后才能裝袋，但是傳送帶可能把這 100 個水果分批傳送，比如第一批傳送 20 個，第二批傳送 50 個，第三批傳送 30 個。接收者不需要和傳送帶保持同步，只要根據(jù)自己的節(jié)奏來裝袋即可，不用管傳送帶傳送了幾批，也不用每到一批就裝袋一次，可以等到湊夠了 100 個水果再裝袋。

流格式套接字的內(nèi)部有一個緩沖區(qū)（也就是字符數(shù)組），通過 socket 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將保存到這個緩沖區(qū)。接收端在收到數(shù)據(jù)后并不一定立即讀取，只要數(shù)據(jù)不超過緩沖區(qū)的容量，接收端有可能在緩沖區(qū)被填滿以后一次性地讀取，也可能分成好幾次讀取。

也就是說，不管數(shù)據(jù)分幾次傳送過來，接收端只需要根據(jù)自己的要求讀取，不用非得在數(shù)據(jù)到達時立即讀取。傳送端有自己的節(jié)奏，接收端也有自己的節(jié)奏，它們是不一致的。

流格式套接字有什么實際的應用場景嗎？瀏覽器所使用的 http 協(xié)議就基于面向連接的套接字，因為必須要確保數(shù)據(jù)準確無誤，否則加載的 HTML 將無法解析。

數(shù)據(jù)報格式套接字（SOCK_DGRAM）

數(shù)據(jù)報格式套接字（Datagram Sockets）也叫“無連接的套接字”。計算機只管傳輸數(shù)據(jù)，不作數(shù)據(jù)校驗，如果數(shù)據(jù)在傳輸中損壞，或者沒有到達另一臺計算機，是沒有辦法補救的。也就是說，數(shù)據(jù)錯了就錯了，無法重傳。

因為數(shù)據(jù)報套接字所做的校驗工作少，所以在傳輸效率方面比流格式套接字要高。

有以下特征：

強調(diào)快速傳輸而非傳輸順序；
傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能丟失也可能損毀；
限制每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大??；
數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是同步的

眾所周知，速度是快遞行業(yè)的生命。用摩托車發(fā)往同一地點的兩件包裹無需保證順序，只要以最快的速度交給客戶就行。這種方式存在損壞或丟失的風險，而且包裹大小有一定限制。因此，想要傳遞大量包裹，就得分配發(fā)送。

另外，用兩輛摩托車分別發(fā)送兩件包裹，那么接收者也需要分兩次接收，所以“數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是同步的”；換句話說，接收次數(shù)應該和發(fā)送次數(shù)相同。

總之，數(shù)據(jù)報套接字是一種不可靠的、不按順序傳遞的、以追求速度為目的的套接字。

數(shù)據(jù)報套接字也使用 IP 協(xié)議作路由，但是它不使用 TCP 協(xié)議，而是使用 UDP 協(xié)議（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。

QQ 視頻聊天和語音聊天就使用SOCK_DGRAM 來傳輸數(shù)據(jù)，因為首先要保證通信的效率，盡量減小延遲，而數(shù)據(jù)的正確性是次要的，即使丟失很小的一部分數(shù)據(jù)，視頻和音頻也可以正常解析，最多出現(xiàn)噪點或雜音，不會對通信質(zhì)量有實質(zhì)的影響。

注意：SOCK_DGRAM 沒有想象中的糟糕，不會頻繁的丟失數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)錯誤只是小概率事件。

三、Socket通信過程

Socket 保證了不同計算機之間的通信，也就是網(wǎng)絡(luò)通信。對于網(wǎng)站，通信模型是服務(wù)器與客戶端之間的通信。兩端都建立了一個 Socket 對象，然后通過 Socket 對象對數(shù)據(jù)進行傳輸。通常服務(wù)器處于一個無限循環(huán)，等待客戶端的連接。

下面是面向連接的 TCP 時序圖：

客戶端過程

客戶端的過程比較簡單，創(chuàng)建 Socket，連接服務(wù)器，將 Socket 與遠程主機連接（注意：只有 TCP 才有“連接”的概念，一些 Socket 比如 UDP、ICMP 和 ARP 沒有“連接”的概念），發(fā)送數(shù)據(jù)，讀取響應數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)交換完畢，關(guān)閉連接，結(jié)束 TCP 對話。

import socket
import sys

if __name__ == '__main__':
  sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 創(chuàng)建 Socket 連接
  sock.connect(('127.0.0.1', 8001)) # 連接服務(wù)器
  while True:
    data = input('Please input data:')
    if not data:
      break
    try:
      sock.sendall(data)
    except socket.error as e:
      print('Send Failed...', e)
      sys.exit(0)
    print('Send Successfully')

    res = sock.recv(4096) # 獲取服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)，還可以用 recvfrom()、recv_into() 等
    print(res)
  sock.close()

sock.sendall(data)

這里也可用 send() 方法：不同在于 sendall() 在返回前會嘗試發(fā)送所有數(shù)據(jù)，并且成功時返回 None，而 send() 則返回發(fā)送的字節(jié)數(shù)量，失敗時都拋出異常。

服務(wù)端過程

服務(wù)端先初始化 Socket，建立流式套接字，與本機地址及端口進行綁定，然后通知 TCP，準備好接收連接，調(diào)用accept()阻塞，等待來自客戶端的連接。如果這時客戶端與服務(wù)器建立了連接，客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請求，服務(wù)器接收請求并處理請求，然后把響應數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端讀取數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)交換完畢。最后關(guān)閉連接，交互結(jié)束。

import socket
import sys

if __name__ == '__main__':
  sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 創(chuàng)建 Socket 連接（TCP）
  print('Socket Created')

  try:
    sock.bind(('127.0.0.1', 8001)) # 配置 Socket，綁定 IP 地址和端口號
  except socket.error as e:
    print('Bind Failed...', e)
    sys.exit(0)

  sock.listen(5) # 設(shè)置最大允許連接數(shù)，各連接和 Server 的通信遵循 FIFO 原則

  while True: # 循環(huán)輪詢 Socket 狀態(tài)，等待訪問
    conn, addr = sock.accept()
    try:
      conn.settimeout(10) # 如果請求超過 10 秒沒有完成，就終止操作

      # 如果要同時處理多個連接，則下面的語句塊應該用多線程來處理
      while True: # 獲得一個連接，然后開始循環(huán)處理這個連接發(fā)送的信息
        data = conn.recv(1024)
        print('Get value ' + data, end='\n\n')
        if not data:
          print('Exit Server', end='\n\n')
          break
        conn.sendall('OK') # 返回數(shù)據(jù)
    except socket.timeout: # 建立連接后，該連接在設(shè)定的時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)發(fā)來，就會引發(fā)超時
      print('Time out')

    conn.close() # 當一個連接監(jiān)聽循環(huán)退出后，連接可以關(guān)掉
  sock.close()

conn, addr = sock.accept()

調(diào)用accept()時，Socket 會進入waiting狀態(tài)。客戶端請求連接時，方法建立連接并返回服務(wù)器。accept()返回一個含有兩個元素的元組 (conn, addr)。第一個元素 conn 是新的 Socket 對象，服務(wù)器必須通過它與客戶端通信；第二個元素 addr 是客戶端的 IP 地址及端口。

data = conn.recv(1024)

接下來是處理階段，服務(wù)器和客戶端通過send()和recv()通信（傳輸數(shù)據(jù)）。

服務(wù)器調(diào)用send()，并采用字符串形式向客戶端發(fā)送信息，send()返回已發(fā)送的字符個數(shù)。

服務(wù)器調(diào)用recv()從客戶端接收信息。調(diào)用recv()時，服務(wù)器必須指定一個整數(shù)，它對應于可通過本次方法調(diào)用來接收的最大數(shù)據(jù)量。recv()在接收數(shù)據(jù)時會進入blocked狀態(tài)，最后返回一個字符串，用它表示收到的數(shù)據(jù)。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)量超過了recv()所允許的，數(shù)據(jù)會被截短。多余的數(shù)據(jù)將緩沖于接收端，以后調(diào)用recv()時，會繼續(xù)讀剩余的字節(jié)，如果有多余的數(shù)據(jù)會從緩沖區(qū)刪除（以及自上次調(diào)用recv()以來，客戶端可能發(fā)送的其它任何數(shù)據(jù)）。傳輸結(jié)束，服務(wù)器調(diào)用 Socket 的close()關(guān)閉連接。

四、從 TCP 連接的視角看 Socket 過程TCP 三次握手的 Socket 過程