一、Socket是什么

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

Socket 就像一個(gè)電話插座，負(fù)責(zé)連通兩端的電話，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，讓電話可以進(jìn)行通信，端口就像插座上的孔，端口不能同時(shí)被其他進(jìn)程占用。而我們建立連接就像把插頭插在這個(gè)插座上，創(chuàng)建一個(gè) Socket 實(shí)例開始監(jiān)聽后，這個(gè)電話插座就時(shí)刻監(jiān)聽著消息的傳入，誰(shuí)撥通我這個(gè)“IP 地址和端口”，我就接通誰(shuí)。

實(shí)際上，Socket 是在應(yīng)用層和傳輸層之間的一個(gè)抽象層，它把 TCP/IP 層復(fù)雜的操作抽象為幾個(gè)簡(jiǎn)單的接口，供應(yīng)用層調(diào)用實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)，服務(wù)器和客戶端各自維護(hù)一個(gè)“文件”，在建立連接打開后，可以向文件寫入內(nèi)容供對(duì)方讀取或者讀取對(duì)方內(nèi)容，通訊結(jié)束時(shí)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(diǎn)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(zhǔn)確無(wú)誤地到達(dá)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，如果損壞或丟失，可以重新發(fā)送。

其特點(diǎn)：

• 數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會(huì)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(huì)斷網(wǎng)），就能保證數(shù)據(jù)不丟失；同時(shí)，較晚傳送的數(shù)據(jù)不會(huì)先到達(dá)，較早傳送的數(shù)據(jù)不會(huì)晚到達(dá)，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(dá)到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸呢？這是因?yàn)樗褂昧?TCP 協(xié)議（The Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議），TCP 協(xié)議會(huì)控制你的數(shù)據(jù)按照順序到達(dá)并且沒有錯(cuò)誤。

你也許見過 TCP，是因?yàn)槟憬?jīng)常聽說“TCP/IP”。TCP 用來(lái)確保數(shù)據(jù)的正確性，IP（Internet Protocol，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）用來(lái)控制數(shù)據(jù)如何從源頭到達(dá)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(gè)后才能裝袋，但是傳送帶可能把這 100 個(gè)水果分批傳送，比如第一批傳送 20 個(gè)，第二批傳送 50 個(gè)，第三批傳送 30 個(gè)。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(lái)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(gè)水果再裝袋。

流格式套接字的內(nèi)部有一個(gè)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(gè)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(lái)，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(dá)時(shí)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(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)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?yàn)楸仨氁_保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，否則加載的 HTML 將無(wú)法解析。

數(shù)據(jù)報(bào)格式套接字（SOCK_DGRAM）

數(shù)據(jù)報(bào)格式套接字（Datagram Sockets）也叫“無(wú)連接的套接字”。計(jì)算機(jī)只管傳輸數(shù)據(jù)，不作數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)在傳輸中損壞，或者沒有到達(dá)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，是沒有辦法補(bǔ)救的。也就是說，數(shù)據(jù)錯(cuò)了就錯(cuò)了，無(wú)法重傳。

因?yàn)閿?shù)據(jù)報(bào)套接字所做的校驗(yàn)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(qiáng)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)大小；
• 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(diǎn)的兩件包裹無(wú)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(fēng)險(xiǎn)，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(yīng)該和發(fā)送次數(shù)相同。

總之，數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)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(bào)協(xié)議）。

QQ 視頻聊天和語(yǔ)音聊天就使用SOCK_DGRAM 來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，因?yàn)槭紫纫ＷC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?jǐn)?shù)據(jù)，視頻和音頻也可以正常解析，最多出現(xiàn)噪點(diǎn)或雜音，不會(huì)對(duì)通信質(zhì)量有實(shí)質(zhì)的影響。

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

三、Socket通信過程

Socket 保證了不同計(jì)算機(jī)之間的通信，也就是網(wǎng)絡(luò)通信。對(duì)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(gè) Socket 對(duì)象，然后通過 Socket 對(duì)象對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通常服務(wù)器處于一個(gè)無(wú)限循環(huán)，等待客戶端的連接。

下面是面向連接的 TCP 時(shí)序圖：

客戶端過程

客戶端的過程比較簡(jiǎn)單，創(chuàng)建 Socket，連接服務(wù)器，將 Socket 與遠(yuǎn)程主機(jī)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(yīng)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)交換完畢，關(guān)閉連接，結(jié)束 TCP 對(duì)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(huì)嘗試發(fā)送所有數(shù)據(jù)，并且成功時(shí)返回 None，而 send() 則返回發(fā)送的字節(jié)數(shù)量，失敗時(shí)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(jī)地址及端口進(jìn)行綁定，然后通知 TCP，準(zhǔn)備好接收連接，調(diào)用accept()阻塞，等待來(lái)自客戶端的連接。如果這時(shí)客戶端與服務(wù)器建立了連接，客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器接收請(qǐng)求并處理請(qǐng)求，然后把響應(yīng)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(hào)
  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(qǐng)求超過 10 秒沒有完成，就終止操作

      # 如果要同時(shí)處理多個(gè)連接，則下面的語(yǔ)句塊應(yīng)該用多線程來(lái)處理
      while True: # 獲得一個(gè)連接，然后開始循環(huán)處理這個(gè)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?cái)?shù)據(jù)
    except socket.timeout: # 建立連接后，該連接在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)發(fā)來(lái)，就會(huì)引發(fā)超時(shí)
      print('Time out')

    conn.close() # 當(dāng)一個(gè)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(shí)，Socket 會(huì)進(jìn)入waiting狀態(tài)?？蛻舳苏?qǐng)求連接時(shí)，方法建立連接并返回服務(wù)器。accept()返回一個(gè)含有兩個(gè)元素的元組 (conn, addr)。第一個(gè)元素 conn 是新的 Socket 對(duì)象，服務(wù)器必須通過它與客戶端通信；第二個(gè)元素 addr 是客戶端的 IP 地址及端口。

data = conn.recv(1024)

接下來(lái)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(gè)數(shù)。

服務(wù)器調(diào)用recv()從客戶端接收信息。調(diào)用recv()時(shí)，服務(wù)器必須指定一個(gè)整數(shù)，它對(duì)應(yīng)于可通過本次方法調(diào)用來(lái)接收的最大數(shù)據(jù)量。recv()在接收數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)進(jìn)入blocked狀態(tài)，最后返回一個(gè)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(huì)被截短。多余的數(shù)據(jù)將緩沖于接收端，以后調(diào)用recv()時(shí)，會(huì)繼續(xù)讀剩余的字節(jié)，如果有多余的數(shù)據(jù)會(huì)從緩沖區(qū)刪除（以及自上次調(diào)用recv()以來(lái)，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

• 服務(wù)器調(diào)用 socket()、bind()、listen() 完成初始化后，調(diào)用 accept() 阻塞等待；
• 客戶端 Socket 對(duì)象調(diào)用 connect() 向服務(wù)器發(fā)送了一個(gè) SYN 并阻塞；
• 服務(wù)器完成了第一次握手，即發(fā)送 SYN 和 ACK 應(yīng)答；
• 客戶端收到服務(wù)端發(fā)送的應(yīng)答之后，從 connect() 返回，再發(fā)送一個(gè) ACK 給服務(wù)器；
• 服務(wù)器 Socket 對(duì)象接收客戶端第三次握手 ACK 確認(rèn)，此時(shí)服務(wù)端從 accept() 返回，建立連接。

接下來(lái)就是兩個(gè)端的連接對(duì)象互相收發(fā)數(shù)據(jù)。

TCP 四次揮手的 Socket 過程

• 某個(gè)應(yīng)用進(jìn)程調(diào)用 close() 主動(dòng)關(guān)閉，發(fā)送一個(gè) FIN；
• 另一端接收到 FIN 后被動(dòng)執(zhí)行關(guān)閉，并發(fā)送 ACK 確認(rèn)；
• 之后被動(dòng)執(zhí)行關(guān)閉的應(yīng)用進(jìn)程調(diào)用 close() 關(guān)閉 Socket，并也發(fā)送一個(gè) FIN；
• 接收到這個(gè) FIN 的一端向另一端 ACK 確認(rèn)。

說明：上面的服務(wù)端代碼只有處理完一個(gè)客戶端請(qǐng)求才會(huì)去處理下一個(gè)客戶端的請(qǐng)求，這樣的服務(wù)器處理能力很弱，而實(shí)際中服務(wù)器都需要有并發(fā)處理能力，為了達(dá)到并發(fā)處理，服務(wù)器就需要 fork 一個(gè)新的進(jìn)程或者線程去處理請(qǐng)求。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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