Linux Socket 过程详细解释（三次建立握手，四次断开连接）

本文主要是为了解决网络中进程之间是如何通信的，如我们每天打开浏览器浏览网页时，浏览器的进程怎么与Web服务器通信的？当我们用QQ聊天时，QQ进程怎么与服务器或者好友所在的进程通信？这些都得靠socket,socket 的类型有哪些？还有socket的基本参数。

1.网络中的进程是如何通信的？

本地的进程通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：

• 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
• 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
• 共享内存（匿名的和具名的）
• 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）

我们要讨论的是网络中的进程是如何通信？首先要解决的问题时如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中是行不通的，其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题。在计算机网络中，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机的应用程序（进程），这样利用三元组（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他进程进行交互。

2.什么是Socket ?

在上文我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？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。那么可以理解为Socket 就是一种特殊的文件，一些socket 函数就是对其进行操作（读/ 写IO、 打开、关闭）。

3.socket的基本操作

既然socket是“open-write/read-close”模式的一种实现，那么socket 就提供了这些操作对应的函数接口，下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。

3.1 socket()函数

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

socket 函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket() 用于创建一个socket 描述符（socket descriptor）,它唯一标识一个sokcet .这个socket 描述字和文字描述字一样，后续操作都有用，把它作为参数，通过它来进行一些读写 操作。
和fopen的传入不同的参数值，以打开不同的文件。创建socket 的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket 描述符，socket 函数的参数为：

• domain :是协议域，又称作协议族（family）常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET 决定了要采用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的组合）、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
• type：指定socket 类型。常用socket 类型有：SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、 SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET…
• protocol : 指的就是协议，常用的协议有IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。
当我们创建一个socket 的时候，返回socket 描述字存在于协议族（address family ,AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址，如果想要给它赋一个地址，就必须调用bind()函数,否则就是调用connect() 、listen()时系统会随机自动分配一个端口。

3.2、bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

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

函数的三个参数分别为：

• sockfd :即socket 描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字
• addr ： 一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是：

struct sockaddr_in {    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */};

• addrlen ： 对应的是地址的长度

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。

3.3、listen()、connect()函数

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind() 之后就会调用listen()来监听这个socket ,如何客户端这时调用connect()发出连接请求，服务端就会接受到这个请求。

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

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

3.4、accept()函数

CP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

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

sockfd : 为服务器socket 描述字，*addr ：为指针，用于返回客户端的协议地址，*addrlen 为协议地址长度，如果accpet 成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。

注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

3.6、close()函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

4、socket中TCP的三次握手建立连接详解

我们知道tcp 建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

• 客户端向服务端发送一个 SYN J
• 服务端向客户端响应一个 SYN K, 并对SYN J 进行 确认ACK J+1
• 客户端再向服务器发一个确认ACK K+1

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函 数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

5、socket中TCP的四次握手释放连接详解

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：

图 示过程如下：

• 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
• 一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。