socket到底是什么?

简介: socket到底是什么?

我相信大家刚开始学socket的时候,都跟我一样。

云里雾里的,对socket的概念很模糊。

这篇文章我打算从一个初学者的角度开始聊起,让大家了解下我眼里的socket是什么以及socket的原理和内核实现。

socket的概念

故事要从一个插头说起。

插头与插座

当我将插头插入插座,那看起来就像是将两者连起来了。

风扇与电力系统建立"连接"

而插座的英文,又叫socket

巧了,我们程序员搞网络编程时也会用到一个叫socket的东西。

其实两者非常相似。通过socket,我们可以与某台机子建立"连接",建立"连接"的过程,就像是将插口插入插槽一样。


大概概念是了解了,但我相信各位对socket其实还是很模糊。

我们从大家最熟悉的使用场景开始说起。

socket的使用场景

我们想要将数据从A电脑的某个进程发到B电脑的某个进程。

这时候我们需要选择将数据发过去的方式,如果需要确保数据要能发给对方,那就选可靠的TCP协议,如果数据丢了也没关系,看天意,那就选择不可靠的UDP协议。

初学者毫无疑问,首选TCP

TCP是什么

那这时候就需要用socket进行编程。

于是第一步就是创建个关于TCP的socket。就像下面这样。

sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

这个方法会返回socket_fd,它是socket文件的句柄,是个数字,相当于socket的身份证号。

得到了socket_fd之后,对于服务端,就可以依次执行bind(), listen(), accept()方法,然后坐等客户端的连接请求。

对于客户端,得到socket_fd之后,你就可以执行connect()方法向服务端发起建立连接的请求,此时就会发生TCP三次握手。

握手建立连接流程

连接建立完成后,客户端可以执行send() 方法发送消息,服务端可以执行recv()方法接收消息,反过来,服务器也可以执行send()客户端执行recv()方法。

到这里为止,就是我们大部分程序员最熟悉的使用场景。

socket的设计

现在,socket我们见过,也用过,但对大部分程序员来说,它是个黑盒

那既然是黑盒,我们索性假设我们忘了socket。重新设计一个内核网络传输功能。

网络传输,从操作上来看,无非就是,发数据和远端之间互相收发数据。也就是对应着写数据读数据

读写收发

但显然,事情没那么简单。

这里还有两个问题。

第一个是,接收端和发送端可能不止一个,因此我们需要一些信息做下区分,这个大家肯定很熟悉,可以用IP和端口。IP用来定位是哪台电脑,端口用来定位是这台电脑上的哪个进程。

第二个是,发送端和接收端的传输方式有很多区别,可以是可靠的TCP协议,也可以是不可靠的UDP协议,甚至还需要支持基于icmp协议ping命令

sock是什么

写过代码的都知道,为了支持这些功能,我们需要定义一个数据结构去支持这些功能。

这个数据结构,叫sock

为了解决上面的第一个问题,我们可以在sock里加入IP和端口字段。

sock加入IP和端口字段

而第二个问题,我们会发现这些协议虽然各不相同,但还是有一些功能相似的地方,比如收发数据时的一些逻辑完全可以复用。按面向对象编程的思想,我们可以将不同的协议当成是不同的对象类(或结构体),将公共的部分提取出来,通过"继承"的方式,复用功能。

基于各种sock实现网络传输功能

于是,我们将功能重新划分下,定义了一些数据结构。

继承sock的各类sock

sock最基础的结构,维护一些任何协议都有可能会用到的收发数据缓冲区。

inet_sock特指用了网络传输功能的sock,在sock的基础上还加入了TTL端口,IP地址这些跟网络传输相关的字段信息。说到这里大家就懵了,难道还有不是用网络传输的?有,比如Unix domain socket,用于本机进程之间的通信,直接读写文件,不需要经过网络协议栈。这是个非常有用的东西,我以后一定讲讲(画饼)。

inet_connection_sock 是指面向连接sock,在inet_sock的基础上加入面向连接的协议里相关字段,比如accept队列,数据包分片大小,握手失败重试次数等。虽然我们现在提到面向连接的协议就是指TCP,但设计上linux需要支持扩展其他面向连接的新协议

tcp_sock 就是正儿八经的tcp协议专用的sock结构了,在inet_connection_sock基础上还加入了tcp特有的滑动窗口拥塞避免等功能。同样udp协议也会有一个专用的数据结构,叫udp_sock

好了,现在有了这套数据结构,我们将它们跟硬件网卡对接一下,就实现了网络传输的功能。


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