计算机网络基础08 Socket网络通信

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1  七层网络架构

　　在解释socket之前，先了解下七层网络架构

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2 socket简介

　　在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据，通过它进行网络通信

　　socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。

　　实际上socket是对TCP/IP协议的封装，Socket本身并不是协议，而是一个调用接口（API）。通过Socket，我们才能使用TCP/IP协议。 实际上，Socket跟TCP/IP协议没有必然的联系。Socket编程接口在设计的时候，就希望也能适应TCP/IP以外的其他的网络协议。所以说，Socket的出现只是使得程序员更方便地使用TCP/IP及其它协议栈而已，是对TCP/IP协议的抽象，从而形成了我们知道的一些最基本的函数接口，比如create、 listen、connect、accept、send、read和write等等。

　　网络有一段关于socket和TCP/IP协议关系的说法比较容易理 解：
　　“TCP/IP只是一个协议栈，就像操作系统的运行机制一样，必须要具体实现，同时还要提供对外的操作接口。这个就像操作系统会提供标准的编程接口，比如win32编程接口一样，TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口。”
　　实际上，传输层的TCP是基于网络层的IP协议的，而应用层的HTTP协议又是基于传输层的TCP协议的，而Socket本身不算是协议，就像上面所说，它只是提供了一个针对TCP或者UDP编程的接口。

3 网络中进程通信

3.1、本地进程间通信

　　1）消息传递（管道、消息队列、FIFO）

　　2）同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）

　　3）共享内存（匿名的和具名的，eg:channel）

　　4）远程过程调用(RPC)

3.2、网络中进程如何通信

3.2.1 网络中进程通信的两个问题

　　1）我们要如何标识一台主机，即怎样确定我们将要通信的进程是在那一台主机上运行。

　　2）我们要如何标识唯一进程，本地通过pid标识，网络中应该怎样标识

3.2.2 解决办法

　　1）TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机

　　2）传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程），因此，我们利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互

4 Socket怎么通信

　　现在，我们知道了网络中进程间如何通信，即利用三元组【ip地址，协议，端口】可以进行网络间通信了，那应该怎么实现了，socket应运而生，它就是利用三元组解决网络通信的一个工具，就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，如UNIX BSD的套接字（socket）。

　　Socket通信的数据传输方式，常用的有两种：SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM

4.1 SOCK_STREAM

　　表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送，但效率相对较慢。常见的 http 协议就使用 SOCK_STREAM 传输数据，因为要确保数据的正确性，否则网页不能正常解析。

4.2 SOCK_DGRAM

　　表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为 SOCK_DGRAM 所做的校验工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高。

　　例如：QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响

5 TCP/IP

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6 典型的应用编程接口

7 Socket常用函数接口

　　以WinSock为例子，其它的差不多

 

1）WSAStartup

2）WSACleanup

3）socket

 4）Closesocket

5）bind

6）listen

7）connect

8）accept

 9）send,sendto

10）recv,recvfrom

8 网络应用的SocketAPI(TCP)基本调用过程

9 socket缓冲区以及阻塞模式

9.1 socket缓冲区

　　每个 socket 被创建后，都会分配两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。

　　send() 并不立即向网络中传输数据，而是先将数据写入缓冲区中，再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区，函数就可以成功返回，不管它们有没有到达目标机器，也不管它们何时被发送到网络，这些都是TCP协议负责的事情。

　　TCP协议独立于 send() 函数，数据有可能刚被写入缓冲区就发送到网络，也可能在缓冲区中不断积压，多次写入的数据被一次性发送到网络，这取决于当时的网络情况、当前线程是否空闲等诸多因素，不由程序员控制。

　　recv() 函数也是如此，也从输入缓冲区中读取数据，而不是直接从网络中读取

　　这些I/O缓冲区特性可整理如下：

（1）I/O缓冲区在每个TCP套接字中单独存在；
（2）I/O缓冲区在创建套接字时自动生成；
（3）即使关闭套接字也会继续传送输出缓冲区中遗留的数据；
（4）关闭套接字将丢失输入缓冲区中的数据。

　　

9.2 阻塞模式

　　对于TCP套接字（默认情况下），当使用 send() 发送数据时

1) 首先会检查缓冲区，如果缓冲区的可用空间长度小于要发送的数据，那么 end() 会被阻塞（暂停执行），直到缓冲区中的数据被发送到目标机器，腾出足够的空间，才唤醒 write()/send() 函数继续写入数据。
2) 如果TCP协议正在向网络发送数据，那么输出缓冲区会被锁定，不允许写入，send() 也会被阻塞，直到数据发送完毕缓冲区解锁，send() 才会被唤醒。
3) 如果要写入的数据大于缓冲区的最大长度，那么将分批写入。
4) 直到所有数据被写入缓冲区 send() 才能返回。

　　当使用 recv() 读取数据时

1) 首先会检查缓冲区，如果缓冲区中有数据，那么就读取，否则函数会被阻塞，直到网络上有数据到来。
2) 如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度，那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出，剩余数据将不断积压，直到有 recv() 函数再次读取。
3) 直到读取到数据后recv() 函数才会返回，否则就一直被阻塞。
这就是TCP套接字的阻塞模式。所谓阻塞，就是上一步动作没有完成，下一步动作将暂停，直到上一步动作完成后才能继续，以保持同步性。

　　TCP套接字默认情况下是阻塞模式

　　

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