Socket原理

Socket的TCP连接过程

题外话

前几天和朋友聊天，朋友问我怎么最近不写博客了，一个是因为最近在忙着公司使用的一些控件的开发，浏览器兼容性搞死人；但主要是因为这段时间一直在看html5的东西，看到web socket时觉得很有意思，动手写几个demo，但web socket需要特定的服务器支持，由于标准制定工作还没完成，所以没有多少主流的服务器支持，自己在网上下载了几个实现，包括php的、C#的、甚至Node.js的，但一个是协议变化比较大，很多代码已经过时了，再就是有一些支持最新的标准，但是我想稍微改造一下，看人家源代码的时候云里雾里，看看别人的代码行数也不多，决定自己实现一个。

悲剧由此开始，虽然哥们儿国内非知名工科大学毕业，但好歹也是科班CS出身，但大学得过且过，什么TCP/IP协议，什么socket了都没概念。为了做出一个简单的支持广播的websocket server，在网上找了很多相关代码，左抄一句，右抄一句，弄了一个星期竟然还是漏洞百出，调试不起来，只好从头来过了，先补一些基本知识，然后再一步步根据原理实现，今天终于实现了绝大部分功能，由此真的感受到了，搞计算机必须得有理论指导实践，否则只能像个没头苍蝇到处乱撞。

TCP/IP

要想理解socket首先得熟悉一下TCP/IP协议族， TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，定义了主机如何连入因特网及数据如何再它们之间传输的标准，

从字面意思来看TCP/IP是TCP和IP协议的合称，但实际上TCP/IP协议是指因特网整个TCP/IP协议族。不同于ISO模型的七个分层，TCP/IP协议参考模型把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中

应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等

传输层：TCP，UDP

网络层：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP

数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU

每一抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务，看起来大概是这样子的

                        

估计有兴趣打开此文的同学都对此有一定了解了，加上我也是一知半解，所以就不详细解释，有兴趣同学可以上网上搜一下资料

维基百科

百度百科

在TCP/IP协议中两个因特网主机通过两个路由器和对应的层连接。各主机上的应用通过一些数据通道相互执行读取操作

socket

我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程，在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程，但PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用ip地址＋协议＋端口号唯一标示网络中的一个进程。

能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了，什么是socket呢？我们经常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

socket通信流程

socket是"打开—读/写—关闭"模式的实现，以使用TCP协议通讯的socket为例，其交互流程大概是这样子的

服务器根据地址类型（ipv4,ipv6）、socket类型、协议创建socket

服务器为socket绑定ip地址和端口号

服务器socket监听端口号请求，随时准备接收客户端发来的连接，这时候服务器的socket并没有被打开

客户端创建socket

客户端打开socket，根据服务器ip地址和端口号试图连接服务器socket

服务器socket接收到客户端socket请求，被动打开，开始接收客户端请求，直到客户端返回连接信息。这时候socket进入阻塞状态，所谓阻塞即accept()方法一直到客户端返回连接信息后才返回，开始接收下一个客户端谅解请求

客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息

服务器accept方法返回，连接成功

客户端向socket写入信息

服务器读取信息

客户端关闭

服务器端关闭

三次握手

在TCP/IP协议中，TCP协议通过三次握手建立一个可靠的连接

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：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

定睛一看，服务器socket与客户端socket建立连接的部分其实就是大名鼎鼎的三次握手

 socket编程API

前面提到socket是"打开—读/写—关闭"模式的实现，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，其它语言都很类似（PHP甚至名字都几乎一样），这里我就简单解释一下方法作用和参数，具体使用有兴趣同学可以看看博客参考中的链接或者上网搜索

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

int bind(int sockfd, conststruct 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。

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 

int connect(int sockfd, conststruct 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

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

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

ssize_t write(int fd, constvoid *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

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

Linux Socket编程（不限Linux）

揭开Socket编程的面纱 

PS. 有同学看完后发现没有demo示例，参考中的示例已经很不错了，我就不班门弄斧了，而且我用C#实现了一个websocket server，接下来的博客中会有介绍。另外由于刚刚实际接触socket，文中谬误较多，还望大家批评指正，文章内容主要参考上面两个博文，图片全部来源于网络，在百度图片搜索得来，无法注明第一源地址，如有版权问题请站内信联系，第一时间处理。

 

 

 

java socket编程

一，网络编程中两个主要的问题

一个是如何准确的定位网络上一台或多台主机，另一个就是找到主机后如何可靠高效的进行数据传输。

在TCP/IP协议中IP层主要负责网络主机的定位，数据传输的路由，由IP地址可以唯一地确定Internet上的一台主机。

而TCP层则提供面向应用的可靠（tcp）的或非可靠（UDP）的数据传输机制，这是网络编程的主要对象，一般不需要关心IP层是如何处理数据的。

目前较为流行的网络编程模型是客户机/服务器（C/S）结构。即通信双方一方作为服务器等待客户提出请求并予以响应。客户则在需要服务时向服务器提 出申请。服务器一般作为守护进程始终运行，监听网络端口，一旦有客户请求，就会启动一个服务进程来响应该客户，同时自己继续监听服务端口，使后来的客户也 能及时得到服务。

二，两类传输协议：TCP；UDP

TCP是Tranfer Control Protocol的 简称，是一种面向连接的保证可靠传输的协议。通过TCP协议传输，得到的是一个顺序的无差错的数据流。发送方和接收方的成对的两个socket之间必须建 立连接，以便在TCP协议的基础上进行通信，当一个socket（通常都是server socket）等待建立连接时，另一个socket可以要求进行连接，一旦这两个socket连接起来，它们就可以进行双向数据传输，双方都可以进行发送 或接收操作。

UDP是User Datagram Protocol的简称，是一种无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在网络上以任何可能的路径传往目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间以及内容的正确性都是不能被保证的。

比较：

UDP：1，每个数据报中都给出了完整的地址信息，因此无需要建立发送方和接收方的连接。

            2，UDP传输数据时是有大小限制的，每个被传输的数据报必须限定在64KB之内。

           3，UDP是一个不可靠的协议，发送方所发送的数据报并不一定以相同的次序到达接收方

TCP：1，面向连接的协议，在socket之间进行数据传输之前必然要建立连接，所以在TCP中需要连接

                时间。

            2，TCP传输数据大小限制，一旦连接建立起来，双方的socket就可以按统一的格式传输大的  

                    数据。

             3，TCP是一个可靠的协议，它确保接收方完全正确地获取发送方所发送的全部数据。

应用：

1，TCP在网络通信上有极强的生命力，例如远程连接（Telnet）和文件传输（FTP）都需要不定长度的数据被可靠地传输。但是可靠的传输是要付出代价的，对数据内容正确性的检验必然占用计算机的处理时间和网络的带宽，因此TCP传输的效率不如UDP高。

2，UDP操作简单，而且仅需要较少的监护，因此通常用于局域网高可靠性的分散系统中client/server应用程序。例如视频会议系统，并不要求音频视频数据绝对的正确，只要保证连贯性就可以了，这种情况下显然使用UDP会更合理一些。

三，基于Socket的java网络编程

1，什么是Socket

网络上的两个程序通过一个双向的通讯连接实现数据的交换，这个双向链路的一端称为一个Socket。Socket通常用来实现客户方和服务方的连接。Socket是TCP/IP协议的一个十分流行的编程界面，一个Socket由一个IP地址和一个端口号唯一确定。

但是，Socket所支持的协议种类也不光TCP/IP一种，因此两者之间是没有必然联系的。在Java环境下，Socket编程主要是指基于TCP/IP协议的网络编程。

2，Socket通讯的过程

Server端Listen(监听)某个端口是否有连接请求，Client端向Server 端发出Connect(连接)请求，Server端向Client端发回Accept（接受）消息。一个连接就建立起来了。Server端和Client 端都可以通过Send，Write等方法与对方通信。

对于一个功能齐全的Socket，都要包含以下基本结构，其工作过程包含以下四个基本的步骤：

　　（1） 创建Socket；

　　（2） 打开连接到Socket的输入/出流；

　　（3） 按照一定的协议对Socket进行读/写操作；

　　（4） 关闭Socket.（在实际应用中，并未使用到显示的close，虽然很多文章都推荐如此，不过在我的程序中，可能因为程序本身比较简单，要求不高，所以并未造成什么影响。）

3，创建Socket

创建Socket

java在包java.net中提供了两个类Socket和ServerSocket，分别用来表示双向连接的客户端和服务端。这是两个封装得非常好的类，使用很方便。其构造方法如下：

Socket(InetAddress address, int port);

Socket(InetAddress address, int port, boolean stream);

Socket(String host, int prot);

Socket(String host, int prot, boolean stream);

Socket(SocketImpl impl)

Socket(String host, int port, InetAddress localAddr, int localPort)

Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddr, int localPort)

ServerSocket(int port);

ServerSocket(int port, int backlog);

ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)

　　其中address、host和port分别是双向连接中另一方的IP地址、主机名和端 口号，stream指明socket是流socket还是数据报socket，localPort表示本地主机的端口号，localAddr和 bindAddr是本地机器的地址（ServerSocket的主机地址），impl是socket的父类，既可以用来创建serverSocket又可 以用来创建Socket。count则表示服务端所能支持的最大连接数。例如：学习视频网 http://www.xxspw.com

Socket client = new Socket("127.0.01.", 80);

ServerSocket server = new ServerSocket(80);

　　注意，在选择端口时，必须小心。每一个端口提供一种特定的服务，只有给出正确的端口，才 能获得相应的服务。0~1023的端口号为系统所保留，例如http服务的端口号为80,telnet服务的端口号为21,ftp服务的端口号为23, 所以我们在选择端口号时，最好选择一个大于1023的数以防止发生冲突。

　　在创建socket时如果发生错误，将产生IOException，在程序中必须对之作出处理。所以在创建Socket或ServerSocket是必须捕获或抛出例外。

4，简单的Client/Server程序

1. 客户端程序

import java.io.*;

import java.net.*;

public class TalkClient {

public static void main(String args[]) {

try{

Socket socket=new Socket("127.0.0.1",4700);

//向本机的4700端口发出客户请求

BufferedReader sin=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

//由系统标准输入设备构造BufferedReader对象

PrintWriter os=new PrintWriter(socket.getOutputStream());

//由Socket对象得到输出流，并构造PrintWriter对象

BufferedReader is=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));

//由Socket对象得到输入流，并构造相应的BufferedReader对象

String readline;

readline=sin.readLine(); //从系统标准输入读入一字符串

while(!readline.equals("bye")){

//若从标准输入读入的字符串为 "bye"则停止循环

os.println(readline);

//将从系统标准输入读入的字符串输出到Server

os.flush();

//刷新输出流，使Server马上收到该字符串

System.out.println("Client:"+readline);

//在系统标准输出上打印读入的字符串

System.out.println("Server:"+is.readLine());

//从Server读入一字符串，并打印到标准输出上

readline=sin.readLine(); //从系统标准输入读入一字符串

} //继续循环

os.close(); //关闭Socket输出流

is.close(); //关闭Socket输入流

socket.close(); //关闭Socket

}catch(Exception e) {

System.out.println("Error"+e); //出错，则打印出错信息

}

}

}

2. 服务器端程序

import java.io.*;

import java.net.*;

import java.applet.Applet;

public class TalkServer{

public static void main(String args[]) {

try{

ServerSocket server=null;

try{

server=new ServerSocket(4700);

//创建一个ServerSocket在端口4700监听客户请求

}catch(Exception e) {

System.out.println("can not listen to:"+e);

//出错，打印出错信息

}

Socket socket=null;

try{

socket=server.accept();

//使用accept()阻塞等待客户请求，有客户

//请求到来则产生一个Socket对象，并继续执行

}catch(Exception e) {

System.out.println("Error."+e);

//出错，打印出错信息

}

String line;

BufferedReader is=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));

//由Socket对象得到输入流，并构造相应的BufferedReader对象

PrintWriter os=newPrintWriter(socket.getOutputStream());

//由Socket对象得到输出流，并构造PrintWriter对象

BufferedReader sin=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

//由系统标准输入设备构造BufferedReader对象

System.out.println("Client:"+is.readLine());

//在标准输出上打印从客户端读入的字符串

line=sin.readLine();

//从标准输入读入一字符串

while(!line.equals("bye")){

//如果该字符串为 "bye"，则停止循环

os.println(line);

//向客户端输出该字符串

os.flush();

//刷新输出流，使Client马上收到该字符串

System.out.println("Server:"+line);

//在系统标准输出上打印读入的字符串

System.out.println("Client:"+is.readLine());

//从Client读入一字符串，并打印到标准输出上

line=sin.readLine();

//从系统标准输入读入一字符串

} //继续循环

os.close(); //关闭Socket输出流

is.close(); //关闭Socket输入流

socket.close(); //关闭Socket

server.close(); //关闭ServerSocket

}catch(Exception e){

System.out.println("Error:"+e);

//出错，打印出错信息

}

}

}

5，支持多客户的client/server程序

前面的Client/Server程序只能实现Server和一个客户的对话。在实际应用 中，往往是在服务器上运行一个永久的程序，它可以接收来自其他多个客户端的请求，提供相应的服务。为了实现在服务器方给多个客户提供服务的功能，需要对上 面的程序进行改造，利用多线程实现多客户机制。服务器总是在指定的端口上监听是否有客户请求，一旦监听到客户请求，服务器就会启动一个专门的服务线程来响 应该客户的请求，而服务器本身在启动完线程之后马上又进入监听状态，等待下一个客户的到来。