浅谈网络 | 传输层之套接字Socket

Socket 这个名字非常形象，可以理解为“插口”或“插槽”。虽然我们是编写软件程序，但可以把它想象成两端用网线连接，一头插在客户端，另一头插在服务端，通过这条“网线”进行通信。因此，在通信开始之前，客户端和服务端都需要建立一个 Socket。

那么，创建 Socket 时需要设置哪些参数呢？
Socket 编程是端到端的通信，通常我们无法感知数据在中间经过了多少局域网或路由器。因此，Socket 能够设置的参数，主要涉及网络层和传输层。

在网络层，需要指定 IP 协议的版本：IPv4 或 IPv6，分别对应设置为 AF_INET 和 AF_INET6。在传输层，需要选择使用的协议：

如果使用的是基于数据流的 TCP 协议，则设置为 SOCK_STREAM；
如果使用的是基于数据报的 UDP 协议，则设置为 SOCK_DGRAM。

这样，Socket 的基本参数就完成了配置，客户端和服务端之间便可以通过这个“插槽”开始通信了。

基于 TCP 协议的 Socket 程序调用过程

在创建了 Socket 之后，TCP 和 UDP 的后续流程稍有不同，这里我们先来看基于 TCP 协议的流程。

服务端：监听端口
服务端首先需要监听一个端口。通常会先调用 bind 函数，将 Socket 绑定到一个指定的 IP 地址和端口号。

为什么需要端口？
因为你写的是一个应用程序，当网络数据包到达时，内核需要通过 TCP 头中的端口号，找到对应的应用程序并将数据传递给它。

为什么需要 IP 地址？
一台机器可能有多个网卡，也就可能有多个 IP 地址。通过 bind，你可以选择监听所有网卡的地址，也可以只监听某一个网卡的地址，从而只接收发给该网卡的网络数据包。
服务端：进入监听状态
绑定了 IP 和端口后，服务端调用 listen 函数开始监听连接。这时，服务端进入 TCP 状态图中的 LISTEN 状态，准备接受客户端的连接请求。

在内核中，为每个监听 Socket 维护两个队列：

已建立连接队列：保存已经完成三次握手的连接，此时这些连接处于 ESTABLISHED 状态。
未完成连接队列：保存还在三次握手阶段的连接，此时这些连接处于 SYN_RCVD 状态。
服务端：接受连接
服务端调用 accept 函数，从已建立连接队列中取出一个已完成的连接进行处理。如果队列为空，则 accept 会阻塞，等待新的连接完成。
客户端：发起连接
客户端通过 connect 函数向服务端发起连接：

在参数中指定服务端的 IP 地址和端口号。
内核会给客户端分配一个临时端口，完成连接所需的信息。
发起三次握手，等待服务端响应。
一旦握手完成，服务端的 accept 函数会返回一个新的 Socket，用于后续数据的读写。
监听 Socket 和已连接 Socket 的区别
这是一个重要的知识点：

监听 Socket：用于监听客户端连接，它负责接收连接请求，处于 LISTEN 状态。
已连接 Socket：用于真正的数据传输，在连接建立完成后，进入 ESTABLISHED 状态。
换句话说：

监听 Socket 接收连接。
已连接 Socket 处理具体的通信。
数据读写
连接建立后，服务端和客户端通过 read 和 write 函数实现数据传输。这种操作与对文件流的读写非常类似。

基于 TCP 协议的 Socket 程序函数调用过程如下图：

在这里插入图片描述
总结：

服务端流程：

创建 Socket。
调用 bind 绑定 IP 地址和端口。
调用 listen 进入监听状态。
调用 accept 接受客户端连接，获得新的 Socket 处理通信。
客户端流程：

创建 Socket。
调用 connect 发起连接，指定服务端的 IP 和端口。
等待三次握手完成。
数据传输：

双方通过 read 和 write 函数进行数据交换，直至通信结束。

说 TCP 的 Socket 就是一个文件流，是非常准确的。因为，Socket 在 Linux 中就是以文件的形式存在的。除此之外，还存在文件描述符。写入和读出，也是通过文件描述符。

在内核中，Socket 是一个文件，那对应就有文件描述符。每一个进程都有一个数据结构 task_struct，里面指向一个文件描述符数组，来列出这个进程打开的所有文件的文件描述符。文件描述符是一个整数，是这个数组的下标。

这个数组中的内容是一个指针，指向内核中所有打开的文件的列表。既然是一个文件，就会有一个 inode，只不过 Socket 对应的 inode 不像真正的文件系统一样，保存在硬盘上的，而是在内存中的。在这个 inode 中，指向了 Socket 在内核中的 Socket 结构。

在这个结构里面，主要的是两个队列，一个是发送队列，一个是接收队列。在这两个队列里面保存的是一个缓存 sk_buff。这个缓存里面能够看到完整的包的结构。

Socket 结构如下图

在这里插入图片描述

基于 UDP 协议的 Socket 程序函数调用过程

对于 UDP 来讲，过程有些不一样。UDP 是没有连接的，所以不需要三次握手，也就不需要调用 listen 和 connect，但是，UDP 的的交互仍然需要 IP 和端口号，因而也需要 bind。UDP 是没有维护连接状态的，因而不需要每对连接建立一组 Socket，而是只要有一个 Socket，就能够和多个客户端通信。也正是因为没有连接状态，每次通信的时候，都调用 sendto 和 recvfrom，都可以传入 IP 地址和端口。

基于 UDP 协议的 Socket 程序函数调用过程如下图：
在这里插入图片描述

服务器如何接入更多的项目

会了基本的 Socket 函数之后，你就可以轻松写出一个网络交互程序。像之前介绍的过程那样，建立连接后，进入一个 while 循环：客户端发送数据，服务端接收并处理，然后服务端响应，客户端接收。这种方式非常基础，但却有明显的局限性，因为它几乎只能实现一对一的通信。

如果一个服务器只能服务一个客户，那显然是不现实的。这就像一个老板开了公司，只有自己一个人服务客户，只能服务完一家再接下一家，这样的效率很低，也无法实现规模化。

作为老板，你肯定会想：最多能接多少个项目呢？这就需要计算一下服务器的理论最大连接数。TCP 连接是由一个四元组标识的：{本机 IP, 本机端口, 对端 IP, 对端端口}。对于服务器端，通常固定监听一个本地端口等待客户端连接请求，因此服务端的 TCP 连接四元组中，只有对端的 IP 和端口是变化的。基于此，服务器的最大 TCP 连接数 = 客户端 IP 数 × 客户端端口数。

对于 IPv4，客户端的 IP 数最多为 2^32，端口数最多为 2^16，因此理论上单台服务器的最大 TCP 连接数为 2^48。

然而，实际中服务器的最大并发连接数远远达不到理论值，主要受到以下两个限制：

文件描述符限制：在 Linux 中，Socket 是文件的一种，每个 TCP 连接都需要占用一个文件描述符。文件描述符的数量受操作系统限制，可以通过 ulimit 调整其上限。
内存限制：每个 TCP 连接都会占用一定的内存，包括内核中的数据结构和 Socket 缓存等。服务器的内存总量决定了可支持的最大连接数。

因此，作为服务器的管理者，为了在有限的资源下接更多的项目，需要优化资源使用，减少每个连接的资源消耗。常见的优化方法包括：