IM 通信协议-Socket(TCP/IP抽象)

2016-04-07

老大最近说公司要开始做新的项目，给一些相关 IM 通信方面的资料。目前仅仅对 Socket 和 WebSocket 一些基本知识进行整理。

下面整理出 HTTP/IP 相关知识思维导图

TCP IP和HTTP.jpg

`Socket`简介

`Socket`起源

Socket 是一种文件描述，起源于 Unix。所以 Socket 采用 Unix 一切皆文件核心，符合 打开 open –>读写 write/read –> 关闭 close 模式。

Socket又被称为：套接字。在网络中两个进行进行通信 Socket 是其基石，同时也是支持 TCP/IP 协议的网络通信的基本单元。Socket本质来说不是协议而是对于 TCP/IP 的抽象，包含网络通信的物种基本信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。

`TCP/IP` 基础知识

小编在此向大家简单的介绍一些关于 TCP/IP 基本知识。从字面上来说 TCP/IP 是两种协议，但是我们通常依次来代指整个 TCP/IP 协议族代称。我们在 ISO 模型分为七层，但是在 TCP/IP 协议分为四层：应用层、传输层、网络层和数据链路层。

下面列举每层一些相关协议：

应用层：HTTP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等
传输层：UDP，TCP
网络层：IGMP，ICMP，IP
数据链路层：MTU，SLIP，CSLIP，PPP 等

上面的四层网络从高到低，每一层抽象层都是是建立在低一层的服务上面并且为高层提供服务。

下面给出在 TCP/IP 和 ISO 分层结构和关系图：

【图片来源于网络】

`Socket`使用

小编在上面介绍过 Socket 基本概念和 TCP/IP 一些基本知识，下面将介绍 Socket 一些实现流程、使用和实现的原理。

使用流程

Socket 在 TCP/IP 分层应用

上文小编提到 Socket 是对 TCP/IP 的一些封装，下面给出图来详细介绍：

Socket 通信流程

由上图我们看出 Socket 信息交互流程：

（1）服务器(server)根据地质类型(IPV4/IPV6)和 Socket类型，协议创建 Socket；
（2）server 绑定 Socket 和宿主源的端口号以及 IP 地址；
（3）server 监听上述绑定的端口，随时接受 Socket 请求。但此时并没有开启 Socket；
（4）客户端(client) 创建 Socket；
（5）client 指定源的端口和 IP 地址，并申请链接；
（6）server 接收到请求链接请求被动打开，开始jieshou客户端请求。这时 accept 处于阻塞状态，知道 client 信息返回后才可以接受下一个 Socket；
（7）client 向 server 向 Socket 发送细信息；
（8）server 接受 Socket 读取其中的信息；
（9）client 关闭 Socket；
（10）server 关闭 Socket。

在上述（5）~（6）过程瞒住我们在 TCP 中见到的经典的三次握手🤝如下图：

第一次握手：客户端尝试连接服务器，向服务器发送 syn 包（同步序列编号Synchronize Sequence Numbers），syn=j，客户端进入SYN_SEND状态等待服务器确认

第二次握手：服务器接收客户端syn包并确认（ack=j+1），同时向客户端发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

`Socket` API

小编简单了解一下socket提供了哪些API供应用程序使用，还是以TCP协议为例，看看Unix下的socket API，小编这里就简单解释一下方法作用和参数。

1	int socket(int domain, int type, int protocol);

根据指定的地址族、数据类型和协议来分配一个socket的描述字及其所用的资源。

domain : 协议族。常用的有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL、AF_ROUTE其中AF_INET代表使用ipv4地址；

type : socket类型。常用的 socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等

protocol:协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等

1	int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

把一个地址族中的特定地址赋给socket。

sockfd:socket描述字，也就是socket引用

addr:要绑定给sockfd的协议地址

addrlen:地址的长度

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

1	int listen(int sockfd, int backlog);

监听socket。

sockfd:要监听的socket描述字

backlog:相应socket可以排队的最大连接个数

1	int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

连接某个socket。

sockfd:客户端的socket描述字

addr:服务器的socket地址

addrlen:socket地址的长度

1	int accept(int sockfd, struct sockaddr addr, socklen_t addrlen);

TCP服务器监听到客户端请求之后，调用accept()函数取接收请求。

sockfd:服务器的socket描述字

addr:客户端的socket地址

addrlen:socket地址的长度

1	ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

读取socket内容。

fd:socket描述字

buf：缓冲区

count：缓冲区长度

1	ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

向socket写入内容，其实就是发送内容。

fd:socket描述字

buf：缓冲区

count：缓冲区长度

1	int close(int fd);

socket标记为以关闭，使相应socket描述字的引用计数-1，当引用计数为0的时候，触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

参考地址：
socket实现原理和机制
 Java TCP/IP Socket 编程
 Socket.md
Linux Socket编程（不限Linux）

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