【计算机网络】Socket

Socket 是网络通信的核心技术之一，充当应用程序与网络协议栈之间的接口。

1. Socket 定义

Socket（套接字）是操作系统提供的 网络通信抽象层，允许应用程序通过标准接口（如 TCP/IP 或 UDP）进行数据传输。它本质上是 IP地址 + 端口号 的组合，用于标识网络中的唯一通信端点。

2. Socket 类型

根据协议和通信模式，Socket 主要分为三类：

类型	协议	特点
流式 Socket (SOCK_STREAM)	TCP	面向连接、可靠传输、数据按顺序到达，适合文件传输、网页浏览等场景。
数据报 Socket (SOCK_DGRAM)	UDP	无连接、不可靠传输、数据可能乱序或丢失，适合实时视频、在线游戏等场景。
原始 Socket (SOCK_RAW)	底层协议	直接操作IP层数据包，用于自定义协议或网络探测（如 Ping、路由跟踪）。

3. Socket 通信流程

服务器端流程：

• 创建 Socket：socket()
  • 初始化一个 Socket 对象，指定协议族（如 IPv4）和类型（如 TCP）。
• 绑定地址：bind()
  • 将 Socket 与 IP 地址和端口绑定（如 0.0.0.0:8080）。
• 监听连接：listen()
  • 进入监听状态，等待客户端连接。
• 接受连接：accept()
  • 接受客户端连接请求，返回一个新的 Socket 用于与客户端通信。
• 数据传输：send()/recv()
  • 通过新 Socket 与客户端收发数据。
• 关闭连接：close()
  • 通信完成后关闭 Socket。

客户端流程：

• 创建 Socket：socket()
• 发起连接：connect()
  • 向服务器地址（如 192.168.1.100:8080）发起连接请求。
• 数据传输：send()/recv()
• 关闭连接：close()

4. Socket 编程模型

• 阻塞模式：默认模式，函数调用（如 recv()）会阻塞线程直到操作完成。
• 非阻塞模式：函数立即返回，需轮询或结合多路复用技术（如 select、epoll）检查状态。
• 多路复用技术：高效管理多个 Socket 连接，常见方法：
  • select()：跨平台但性能一般。
  • epoll()（Linux）：高性能，支持水平触发（LT）和边缘触发（ET）。
  • kqueue()（BSD/macOS）：类似 epoll。
  • IOCP（Windows）：基于完成端口的异步模型。

5. 关键概念

• 地址结构：如 sockaddr_in（IPv4）或 sockaddr_in6（IPv6），包含 IP 和端口信息。
• 字节序转换：
  • 使用 htonl()、htons() 等函数将主机字节序转为网络字节序（大端序）。
• 超时设置：通过 setsockopt() 设置 SO_RCVTIMEO 或 SO_SNDTIMEO 控制收发超时。

6. 跨平台差异

• Linux/Unix：遵循 POSIX 标准，头文件 <sys/socket.h>。
• Windows：使用 Winsock API，需包含 <winsock2.h> 并初始化 WSA（WSAStartup()）。

7. 应用场景

• 即时通讯软件：如QQ、微信等，依赖于TCP或UDP Socket实现客户端与服务器之间的消息实时传输。
• 在线游戏：快速传输玩家动作数据（UDP 常见）。
• 文件传输协议：如FTP，通过TCP Socket实现文件的上传、下载和管理。
• 物联网设备：传感器数据上报与控制指令下发。
• 远程登录协议：如SSH，通过TCP Socket与远程服务器建立连接，实现远程命令执行。

8. 代码示例（Python）

TCP 服务器：

import socketserver = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.bind(('0.0.0.0', 8080))
server.listen()
client, addr = server.accept()
print(f"Connected by {addr}")
client.send(b"Hello from server!")
client.close()

TCP 客户端：

import socketclient = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1', 8080))
data = client.recv(1024)
print(f"Received: {data.decode()}")
client.close()

9. 注意事项

• 错误处理：检查所有 Socket API 的返回值，处理异常（如连接拒绝、超时）。
• 资源释放：确保关闭所有 Socket，避免资源泄漏。
• 并发处理：多线程、异步IO 或协程（如 asyncio）应对高并发。
• 安全性：使用 TLS/SSL 加密数据（如 SSLSocket），防范注入攻击。

10. 总结

Socket 是网络编程的基石，理解其原理和实现有助于开发高性能、可靠的网络应用。尽管现代框架（如 HTTP 库、gRPC）封装了底层细节，但在需要精细控制网络行为（如自定义协议、低延迟优化）时，直接操作 Socket 仍是必备技能。

11. 资料

• 【B站】socket到底是什么？