Unix/Linux编程：什么是 socket？

╰半橙微兮° 2023-03-01 05:53 108阅读 0赞

>  *  网络编程就是编写程序使两台联网的计算机相互交换数据
>  *  这个世界上有很多种套接字（socket），比如 DARPA Internet 地址（Internet 套接字）、本地节点的路径名（Unix套接字）、CCITT X.25地址（X.25 套接字）等。但本教程只讲第一种套接字——Internet 套接字，它是最具代表性的，也是最经典最常用的。以后我们提及套接字，指的都是 Internet 套接字。

# 什么是 socket？ #

*  socket 的原意是“插座”，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。
 *  socket 的典型应用就是 Web 服务器和浏览器：浏览器获取用户输入的 URL，向服务器发起请求，服务器分析接收到的 URL，将对应的网页内容返回给浏览器，浏览器再经过解析和渲染，就将文字、图片、视频等元素呈现给用户。
 *  学习 socket，也就是学习计算机之间如何通信，并编写出实用的程序。

## UNIX/Linux 中的 socket 是什么？ ##

在 UNIX/Linux 系统中，为了统一对各种硬件的操作，简化接口，不同的硬件设备也都被看成一个文件。对这些文件的操作，等同于对磁盘上普通文件的操作。

你也许听很多高手说过，UNIX/Linux 中的一切都是文件！那个家伙说的没错。

为了表示和区分已经打开的文件，UNIX/Linux 会给每个文件分配一个 ID，这个 ID 就是一个整数，被称为文件描述符（File Descriptor）。例如：

*  通常用 0 来表示标准输入文件（stdin），它对应的硬件设备就是键盘；
 *  通常用 1 来表示标准输出文件（stdout），它对应的硬件设备就是显示器。

UNIX/Linux 程序在执行任何形式的 I/O 操作时，都是在读取或者写入一个文件描述符。一个文件描述符只是一个和打开的文件相关联的整数，它的背后可能是一个硬盘上的普通文件、FIFO、管道、终端、键盘、显示器，甚至是一个网络连接。

请注意，网络连接也是一个文件，它也有文件描述符！你必须理解这句话。

我们可以通过 socket() 函数来创建一个网络连接，或者说打开一个网络文件，socket() 的返回值就是文件描述符。有了文件描述符，我们就可以使用普通的文件操作函数来传输数据了，例如：

*  用 read() 读取从远程计算机传来的数据；
 *  用 write() 向远程计算机写入数据。

你看，只要用 socket() 创建了连接，剩下的就是文件操作了，网络编程原来就是如此简单！

## Window 系统中的 socket 是什么？ ##

Windows 也有类似“文件描述符”的概念，但通常被称为“文件句柄”。【windows叫做句柄， linux叫做描述符】

与linux不同的是，Windows会区分socket和文件，windows就把socket当作一个网络连接来对待，因此需要调用专门针对socket而设计的数据传输函数，针对普通文件的输入输出函数就无效了。

# socket有哪些类型？ #

这个世界上有很多种套接字（socket），比如

*  DARPA Internet 地址（Internet 套接字）、
 *  本地节点的路径名（Unix套接字）、
 *  CCITT X.25地址（X.25 套接字）等。

其中 **Internet 套接字**，它是最具代表性的，也是最经典最常用的。

我们知道socket套接字是用来传输数据的，因此，通过socket()函数创建连接的时候，我们必须告诉它使用哪种数据传输方式。

Internet 套接字有很多数据传输方式，我们最常用的有两种

## 流格式套接字（SOCK\_STREAM） ##

流格式套接字（Stream Sockets）也叫“面向连接的套接字”，在代码中使用 SOCK\_STREAM 表示。

**SOCK\_STREAM 是一种可靠的、双向的通信数据流，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。**

流格式套接字有自己的纠错机制，在此我们就不讨论了。

SOCK\_STREAM 有以下几个特征：

*  数据在传输过程中不会消失；
 *  数据是按照顺序传输的；
 *  数据的发送和接收不是同步的（有的教程也称“不存在数据边界”）。

可以将 SOCK\_STREAM 比喻成一条传送带，只要传送带本身没有问题（不会断网），就能保证数据不丢失；同时，较晚传送的数据不会先到达，较早传送的数据不会晚到达，这就保证了数据是按照顺序传递的。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
为什么流格式套接字可以达到高质量的数据传输呢？这是因为它使用了 TCP 协议（The Transmission Control Protocol，传输控制协议），TCP 协议会控制你的数据按照顺序到达并且没有错误。

你也许见过 TCP，是因为你经常听说“TCP/IP”。**TCP 用来确保数据的正确性，IP（Internet Protocol，网络协议）用来控制数据如何从源头到达目的地，也就是常说的“路由”**。

那么，“数据的发送和接收不同步”该如何理解呢？

假设传送带传送的是水果，接收者需要凑齐 100 个后才能装袋，但是传送带可能把这 100 个水果分批传送，比如第一批传送 20 个，第二批传送 50 个，第三批传送 30 个。接收者不需要和传送带保持同步，只要根据自己的节奏来装袋即可，不用管传送带传送了几批，也不用每到一批就装袋一次，可以等到凑够了 100 个水果再装袋。

**流式套接字的内部有一个缓冲区(也就是字符数组)，通过socket传输的数据将保存到这个缓冲区。接收端在接收数据之后不一定立即读取，只要数据不超过缓冲区的容量，接收端有可能在缓冲区被填满之后一次性读取，或者分好几次读取。**

也就是说，不管数据分几次传送过来，接收端只需要根据自己的要求读取，不用非得在数据到达时立即读取。传送端有自己的节奏，接收端也有自己的节奏，它们是不一致的。

流格式套接字有什么实际的应用场景吗？浏览器所使用的 http 协议就基于面向连接的套接字，因为必须要确保数据准确无误，否则加载的 HTML 将无法解析。

## 数据报格式套接字（SOCK\_DGRAM） ##

数据报格式套接字（Datagram Sockets）也叫“无连接的套接字”，在代码中使用 SOCK\_DGRAM 表示。

**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。**

因为数据报套接字所做的校验工作少，所以在传输效率方面比流格式套接字要高。

可以将 SOCK\_DGRAM 比喻成高速移动的摩托车快递，它有以下特征：

*  强调快速传输而非传输顺序；
 *  传输的数据可能丢失也可能损毁；
 *  限制每次传输的数据大小；
 *  数据的发送和接收是同步的（有的教程也称“存在数据边界”）。

众所周知，速度是快递行业的生命。用摩托车发往同一地点的两件包裹无需保证顺序，只要以最快的速度交给客户就行。这种方式存在损坏或丢失的风险，而且包裹大小有一定限制。因此，想要传递大量包裹，就得分配发送。

另外，用两辆摩托车分别发送两件包裹，那么接收者也需要分两次接收，所以“数据的发送和接收是同步的”；换句话说，接收次数应该和发送次数相同。

总之，**数据报套接字是一种不可靠的、不按顺序传递的、以追求速度为目的的套接字。**

数据报套接字也使用 IP 协议作路由，但是它不使用 TCP 协议，而是使用 **UDP 协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）**。

QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK\_DGRAM 来传输数据，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。

注意：SOCK\_DGRAM 没有想象中的糟糕，不会频繁的丢失数据，数据错误只是小概率事件。

# 面向连接和无连接的套接字到底有什么区别？ #

上面我们提到， 流格式套接字（Stream Sockets）就是“面向连接的套接字”，它基于 TCP 协议；数据报格式套接字（Datagram Sockets）就是“无连接的套接字”，它基于 UDP 协议。

这给大家造成一种印象，面向连接就是可靠的通信，无连接就是不可靠的通信，实际情况是这样吗？

另外，不管是哪种数据传输方式，都得通过整个 Internet 网络的物理线路将数据传输过去，从这个层面理解，所有的 socket 都是有物理连接的呀，为什么还有无连接的 socket 呢？

本节就来给大家解开种种谜团，加深大家对数据传输方式的认识。

*  从字面上理解，面向连接好像有一条管道，它连接发送端和接收端，数据包都通过这条管道来传输。当然，两台计算机在通信之前必须先搭建好管道。
 *  无连接好像没头苍蝇乱撞，数据包从发送端到接收端并没有固定的线路，爱怎么走就怎么走，只要能到达就行。每个数据包都比较自私，不和别人分享自己的线路，但是，大家最终都能殊途同归，到达接收端。

这样理解没错，但是我相信这还不够深入，大家还是感觉云里雾里，没有看到本质。好，接下来就是见证奇迹的时刻，我会用实例给大家演示！

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
上图是一个简化的互联网模型，H1 ~ H6 表示计算机，A~E 表示路由器，发送端发送的数据必须经过路由器的转发才能到达接收端。

假设 H1 要发送若干个数据包给 H6，那么有多条路径可以选择，比如：  
路径①：H1 --> A --> C --> E --> H6  
路径②：H1 --> A --> B --> E --> H6  
路径③：H1 --> A --> B --> D --> E --> H6  
路径④：H1 --> A --> B --> C --> E --> H6  
路径⑤：H1 --> A --> C --> B --> D --> E --> H6

> 数据包的传输路径是路由器根据算法来计算出来的，算法会考虑很多因素，比如网络是否拥堵，下一个路由器是否忙碌等。

## 无连接的套接字 ##

对于无连接的套接字，每个数据包可以选择不同的路径，比如第一个数据包选择路径④，第二个数据包选择路径①，第三个数据包选择路径②……当然，它们也可以选择相同的路径，那也只不过是巧合而已。

每个数据包之间都是独立的，各走各的路，谁也不影响谁，除了迷路的或者发生意外的数据包，最后都能到达 H6。但是，到达的顺序是不确定的，比如：

*  第一个数据包选择了一条比较长的路径（比如路径⑤），第三个数据包选择了一条比较短的路径（比如路径①），虽然第一个数据包很早就出发了，但是走的路比较远，最终还是晚于第三个数据包达到。
 *  第一个数据包选择了一条比较短的路径（比如路径①），第三个数据包选择了一条比较长的路径（比如路径⑤），按理说第一个数据包应该先到达，但是非常不幸，第一个数据包走的路比较拥堵，这条路上的数据量非常大，路由器处理得很慢，所以它还是晚于第三个数据包达到了。

还有一些意外情况会发生，比如：

*  第一个数据包选择了路径①，但是路由器C突然断电了，那它就到不了 H6 了。
 *  第三个数据包选择了路径②，虽然路不远，但是太拥堵，以至于它等待的时间太长，路由器把它丢弃了。

总之，对于无连接的套接字，数据包在传输过程中会发生各种不测，也会发生各种奇迹。H1 只负责把数据包发出，至于它什么时候到达，先到达还是后到达，有没有成功到达，H1 都不管了；H6 也没有选择的权利，只能被动接收，收到什么算什么，爱用不用。

**无连接套接字遵循的是「尽最大努力交付」的原则，就是尽力而为，实在做不到了也没办法。无连接套接字提供的没有质量保证的服务。**

## 面向连接的套接字 ##

**面向连接的套接字在正式通信之前要先确定一条路径，没有特殊情况的话，以后就固定地使用这条路径来传递数据包了。当然，路径被破坏的话，比如某个路由器断电了，那么会重新建立路径。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
这条路径是由路由器维护的，路径上的所有路由器都要存储该路径的信息（实际上只需要存储上游和下游的两个路由器的位置就行），所以路由器是有开销的。

H1 和 H6 通信完毕后，要断开连接，销毁路径，这个时候路由器也会把之前存储的路径信息擦除。

在很多网络通信教程中，这条预先建立好的路径被称为“虚电路”，就是一条虚拟的通信电路。

**为了保证数据包准确、顺序地到达，发送端在发送数据包以后，必须得到接收端的确认才发送下一个数据包；如果数据包发出去了，一段时间以后仍然没有得到接收端的回应，那么发送端会重新再发送一次，直到得到接收端的回应。这样一来，发送端发送的所有数据包都能到达接收端，并且是按照顺序到达的。**

> 发送端发送一个数据包，如何得到接收端的确认呢？很简单，为每一个数据包分配一个 ID，接收端接收到数据包以后，再给发送端返回一个数据包，告诉发送端我接收到了 ID 为 xxx 的数据包。

面向连接的套接字会比无连接的套接字多出很多数据包，因为发送端每发送一个数据包，接收端就会返回一个数据包。此外，建立连接和断开连接的过程也会传递很多数据包。

不但是数量多了，每个数据包也变大了：除了源端口和目的端口，面向连接的套接字还包括序号、确认信号、数据偏移、控制标志（通常说的 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN）、窗口、校验和、紧急指针、选项等信息；而无连接的套接字则只包含长度和校验和信息。

有连接的数据包比无连接大很多，这意味着更大的负载和更大的带宽。许多即时聊天软件采用 UDP 协议（无连接套接字），与此有莫大的关系。

## 总结 ##

两种套接字各有优缺点：

*  无连接套接字传输效率高，但是不可靠，有丢失数据包、捣乱数据的风险；
 *  有连接套接字非常可靠，万无一失，但是传输效率低，耗费资源多。

两种套接字的特点决定了它们的应用场景，有些服务对可靠性要求比较高，必须数据包能够完整无误地送达，那就得选择有连接的套接字（TCP 服务），比如 HTTP、FTP 等；而另一些服务，并不需要那么高的可靠性，效率和实时才是它们所关心的，那就可以选择无连接的套接字（UDP 服务），比如 DNS、即时聊天工具等。

[面向连接和无连接的套接字到底有什么区别？][Link 1]

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[Link 1]: http://c.biancheng.net/view/2125.html