在前几篇文章中，我们探讨了 IP、端口、DNS、HTTP、TCP 和 UDP 等网络核心概念与协议。这些协议定义了数据如何在网络中寻址、路由和传输。然而，这些理论知识最终需要通过编程实践来应用。Socket（套接字）便是连接应用层程序与传输层协议（如 TCP/UDP）的桥梁，是进行网络编程的核心接口。本文将深入介绍 Socket 的基本概念、工作原理，并通过代码示例演示如何使用 Socket 进行网络通信。

本系列其余几篇的目录：

• 计算机网络之一 - IP 与端口
• 计算机网络之二 - URL 与 DNS
• 计算机网络之三 - DHCP 与内网穿透
• 计算机网络之四 - 虚拟网卡与 WireGuard
• 计算机网络之五 - HTTP 与 HTTPS
• 计算机网络之六 - 可靠的 TCP 与高效的 UDP

Socket 概述

Socket 是一种抽象概念，它封装了网络通信所必需的底层协议细节（如 TCP 或 UDP），为应用程序提供了一套标准的、简单的接口来实现进程间通信。可以将其理解为应用程序与网络协议栈交互的“端点”或“插座”。通过这个“端点”，程序可以像读写文件一样发送和接收数据。

Socket 的核心要素

一个 Socket 通常由以下几个核心要素定义，它们共同构成了一个唯一的网络通信地址：

1. 通信域 (Domain/Family)：指定了 Socket 所使用的底层协议族。最常见的包括：
   • AF_INET：用于 IPv4 网络。
   • AF_INET6：用于 IPv6 网络。
   • AF_UNIX：用于本地进程间通信（同一台机器上的不同进程）。
2. 套接字类型 (Type)：定义了 Socket 的通信语义。主要类型有：
   • SOCK_STREAM：提供面向连接、可靠、有序的字节流服务，通常与 TCP 协议关联。数据像水流一样，无边界地传输。
   • SOCK_DGRAM：提供无连接、不可靠、但高效的数据报服务，通常与 UDP 协议关联。数据以独立的“包裹”（数据报）形式发送。
3. 协议 (Protocol)：在给定的域和类型下，进一步指定使用的具体协议。大多数情况下，此字段可以设为 0，表示使用默认协议（如 SOCK_STREAM 类型默认使用 TCP，SOCK_DGRAM 类型默认使用 UDP）。

Socket 与 TCP/UDP 的关系

Socket 本身并不是协议，它是一个 API（应用程序编程接口）。它允许应用程序使用 TCP 或 UDP 等传输层协议进行通信。

• TCP Socket：当创建一个 SOCK_STREAM 类型的 Socket 时，系统会自动使用 TCP 协议。TCP 的连接建立（三次握手）、可靠传输、流量控制等特性都由操作系统内核的 TCP/IP 协议栈处理，应用程序只需通过 Socket 接口进行读写操作。
• UDP Socket：当创建一个 SOCK_DGRAM 类型的 Socket 时，系统会自动使用 UDP 协议。UDP 的无连接、尽力而为传输特性同样由内核协议栈处理，应用程序通过 Socket 发送和接收独立的数据报。

理解 Socket 与 TCP/UDP 的关系，是掌握网络编程的关键。Socket 是操作接口，而 TCP/UDP 是底层的实现协议。

TCP Socket 编程流程

TCP 是一种面向连接的、可靠的协议。因此，使用 TCP Socket 进行通信前，客户端和服务器需要先建立连接。这个过程通常被称为“三次握手”，在“可靠的 TCP 与高效的 UDP”一文中已有详细介绍。在编程层面，这个过程体现为服务器端和客户端各自遵循的一套标准操作流程。

服务器端流程

服务器端的主要任务是监听来自客户端的连接请求，并与之建立连接，然后进行数据交换。典型的流程如下：

1. 创建 Socket：调用系统调用（如 socket()）创建一个新的 Socket。此时，Socket 还未与任何地址或端口绑定。
2. 绑定地址和端口：调用 bind() 系统调用，将创建的 Socket 与服务器本机的一个 IP 地址和端口号绑定。这样，客户端才能通过这个地址和端口找到服务器。
3. 监听连接：调用 listen() 系统调用，使 Socket 进入被动监听状态，等待客户端的连接请求。
4. 接受连接：调用 accept() 系统调用。该调用会阻塞（暂停）程序执行，直到收到一个客户端的连接请求。收到请求后，accept() 会返回一个新的 Socket 文件描述符，这个新的 Socket 专门用于与该客户端进行数据通信。原来的监听 Socket 则继续保持监听状态。
5. 数据交换：通过 accept() 返回的新 Socket，调用 send() 和 recv()（或 write() 和 read()）等系统调用来发送和接收数据。
6. 关闭连接：数据交换完成后，通信双方（客户端和服务器）都需要调用 close() 来关闭各自的 Socket，释放相关资源。这个过程涉及到 TCP 的“四次挥手”，同样在前文中有所描述。

客户端流程

客户端的任务是主动发起连接请求，并与服务器进行数据交换。

1. 创建 Socket：与服务器端一样，客户端也需要调用 socket() 创建一个 Socket。
2. 发起连接：调用 connect() 系统调用，向服务器的指定地址和端口发起连接请求。客户端需要知道服务器的 IP 地址和端口号。
3. 数据交换：连接建立成功后，客户端就可以调用 send() 和 recv() 等系统调用来发送和接收数据了。注意，客户端通常不需要 bind() 调用，操作系统会自动为其分配一个临时的源端口。
4. 关闭连接：数据交换完成后，客户端调用 close() 关闭 Socket。

TCP Socket 工作流程图

下图展示了服务器端和客户端的完整交互流程：

C1 --> C2
C2 -- "连接请求" --> S4
S4 -- "连接建立" --> C3
C3 <--> S5
C4 --> S6

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