网络通信(Socket/TCP/UDP)

一、Socket

1.概念：

Socket(又叫套接字)是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接协议，客户端的IP地址，客户端的端口，服务器的IP地址，服务器的端口。

一个Socket是一对IP地址和端口。

Socket可以看成在两个程序进行通讯连接中的一个端点，一个程序将一段信息写入Socket中，该Socket将这段信息发送给另外一个Socket中，使这段信息能传送到其他程序中。你可以这么理解：Socket是进程之间用来对话的中间层工具。

2.作用：

应用层通过传输层进行数据通信时，TCP和UDP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP／IP协议交互提供了称为套接字(Socket)的接口，区分不同应用程序进程间的网络通信和连接。Socket(套接字)是对 TCP/IP 或者UDP/IP协议的封装，Socket本身并不是协议，而是一个调用接口(API)，通过Socket，我们才能使用TCP/IP协议。通过调用这个接口(API)，程序员在开发网络应用程序的时候，就可以不用关心底层是怎么实现的，减轻开发的难度。

3.Socket的实现方式

Socket是一个中间层工具，它存在于操作系统的内核。电脑上的进程为了真正通过Socket来发送／接受数据，Socket必须和一个能够进行数据传送的接口连接起来，再通过这个接口送出数据。这个接口就是端口，而这个连接的过程就叫做绑定。应用层就可以和传输层通过套接字接口(API)，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

假设有两个主机要进行通信 Host A和Host B
Host A上的程序A将一段信息写入Socket中，Socket的内容被Host A的网络管理软件访问，并将这段信息通过Host A的网络接口卡发送到Host B，Host B的网络接口卡接收到这段信息后，传送给Host B的网络管理软件，网络管理软件将这段信息保存在Host B的Socket中，然后程序B才能在Socket中阅读这段信息。

Socket连接的实现方式：

要通过互联网进行通信，至少需要一对套接字，一个运行于客户机端，称之为clientSocket，另一个运行于服务器端，称之为serverSocket。

基于TCP协议的Socket通讯类似于B/S架构，面向连接，但不同的是服务器可以向客户端主动推送消息。

先从服务器说起。服务器先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，要连接的目标是服务器的套接字，为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器套接字的地址和端口，然后就向服务器套接字提出连接请求(connect)，当服务器套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求，它就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，连接就建立好了。而服务器套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

基于UDP协议(不可靠连接)是无连接模式通讯，占用资源少，响应速度快，延时低。至于可靠性，可通过应用层的控制来满足。

建立一个套接字(Socket)、绑定服务器端IP地址及端口--服务器端、通过SendTo()方法向指定主机发送消息(需提供主机IP地址及端口)、通过ReciveFrom()方法接收指定主机发送的消息(需提供主机IP地址及端口)。

4.Socket与TCP/IP的关系

创建Socket连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket可以支持不同的传输层协议(TCP或UDP)，当使用TCP协议进行连接时，该Socket连接就是一个TCP连接。

Socket是对TCP/IP协议的封装和应用(程序员层面上)。也可以说，TCP/IP协议是传输层协议，主要解决数据如何在网络中传输，而HTTP是应用层协议，主要解决如何包装数据。关于TCP/IP和HTTP协议的关系，网络有一段比较容易理解的介绍：

“我们在传输数据时，可以只使用(传输层)TCP/IP协议，但是那样的话，如果没有应用层，便无法识别数据内容，如果想要使传输的数据有意义，则必须使用到应用层协议，应用层协议有很多，比如HTTP、FTP、TELNET等，也可以自己定义应用层协议。WEB使用HTTP协议做应用层协议，以封装HTTP文本信息，然后使用TCP/IP做传输层协议将它发到网络上。”

我们平时说的最多的Socket是什么呢，实际上Socket是对TCP/IP协议的封装，Socket本身并不是协议，而是一个调用接口(API)，通过Socket，我们才能使用TCP/IP协议。实际上，Socket跟TCP/IP协议没有必然的联系。Socket编程接口在设计的时候，就希望也能适应其他的网络协议。所以说，Socket的出现只是使得程序员更方便地使用TCP/IP协议栈而已，是对TCP/IP协议的抽象，从而形成了我们知道的一些最基本的函数接口，比如create、 listen、connect、accept、send、read和write等等。网络有一段关于Socket和TCP/IP协议关系的说法比较容易理解：

“TCP/IP只是一个协议栈，就像操作系统的运行机制一样，必须要具体实现，同时还要提供对外的操作接口。这个就像操作系统会提供标准的编程接口，比如win32编程接口一样，TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口。”

实际上，传输层的TCP是基于网络层的IP协议的，而应用层的HTTP协议又是基于传输层的TCP协议的，而Socket本身不算是协议，就像上面所说，它只是提供了一个针对TCP或者UDP编程的接口。Socket是对端口通信开发的工具，它要更底层一些。

5.Socket可以实现的网络应用

=>客户端-服务器通信：通过Socket，客户端可以与服务器建立连接并发送请求，服务器接收请求并返回响应。
=>网络聊天和即时通讯：通过Socket，可以在多个用户之间实现实时的文字、音频或视频通信。
=>文件传输：可以使用Socket在不同计算机之间传输文件，如上传和下载文件。
=>远程控制：可通过Socket在远程计算机上执行指令或操作。
=>P2P(点对点)通信：Socket提供了直接的点对点通信接口，允许两个或多个计算机直接进行数据交换。

使用Socket进行网络编程时，需要考虑协议、端口、IP地址、数据格式等因素，以确保通信的正确性和有效性。不同编程语言和平台都有相应的Socket API和库，可以根据自己的需求选择合适的工具和技术。