socket套接字编程

前言:
之前面试中，很多面试官都会问socket套接字的用法，可能有很多老铁跟我一样对于socket的原理有点懵逼，恰好最近公司的项目中用到socket长连接，这里我将我总结的一些经验分享给大家，希望对初学者有用。

要向弄懂socket得用法需要知道以下知识点:
1.套接字的概念
套接字（socket）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：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。

应用层通过传输层进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个TCP协议端口传输数据。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协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过Socket接口，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。

2.国际OSI七层结构

网络从上往下分为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、以及物理层，其中物理层、数据链路层和网络层通常被称作媒体层，是网络工程师所研究的对象；表示层和应用层则被称作主机层，是用户所面向和关心的内容。

3.OSI七层结构的各自作用
（1）应用层：与其他计算机进行通讯的一个应用，它是对应应用程序的通信服务的。例如，一个没有通信功能的字处理程序就不能执行通信的代码，从事字处理工作的程序员也不关心OSI的第7层。但是，如果添加了一个传输文件的选项，那么字处理器的程序员就需要实现OSI的第7层。示例：telnet，HTTP,FTP,WWW,NFS,SMTP等。
（2）表示层：这一层的主要功能是定义数据格式及加密。例如，FTP允许你选择以二进制或ASII格式传输。如果选择二进制，那么发送方和接收方不改变文件的内容。如果选择ASII格式，发送方将把文本从发送方的字符集转换成标准的ASII后发送数据。在接收方将标准的ASII转换成接收方计算机的字符集。示例：加密，ASII等。
（3）会话层：他定义了如何开始、控制和结束一个会话，包括对多个双向小时的控制和管理，以便在只完成连续消息的一部分时可以通知应用，从而使表示层看到的数据是连续的，在某些情况下，如果表示层收到了所有的数据，则用数据代表表示层。示例：RPC，SQL等。
（4）传输层：这层的功能包括是否选择差错恢复协议还是无差错恢复协议，及在同一主机上对不同应用的数据流的输入进行复用，还包括对收到的顺序不对的数据包的重新排序功能。示例：TCP，UDP，SPX。
（5）网络层：这层对端到端的包传输进行定义，他定义了能够标识所有结点的逻辑地址，还定义了路由实现的方式和学习的方式。为了适应最大传输单元长度小于包长度的传输介质，网络层还定义了如何将一个包分解成更小的包的分段方法。示例：IP,IPX等。
（6）数据链路层：他定义了在单个链路上如何传输数据。这些协议与被讨论的歌种介质有关。示例：ATM，FDDI等。
（7）物理层：OSI的物理层规范是有关传输介质的特性标准，这些规范通常也参考了其他组织制定的标准。连接头、针、针的使用、电流、电流、编码及光调制等都属于各种物理层规范中的内容。物理层常用多个规范完成对所有细节的定义。示例：Rj45，802.3等。

4.网络中的各个协议:TCP/IP、TCP/IP、SOCKET等的关系

Http协议对应于应用层;Tcp协议对应于传输层;IP协议对应于网络层;TCP/IP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。我们在传输数据时，可以只使用传输层（TCP/IP），但是那样的话，由于没有应用层，便无法识别数据内容，如果想要使传输的数据有意义，则必须使用应用层 协议，应用层协议很多，有HTTP、FTP、TELNET等等，也可以自己定义应用层协议。WEB使用HTTP作传输层协议，以封装HTTP文本信息，然后使用TCP/IP做传输层协议将它发送到网络上。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。

5.Http和Socket连接区别
相信不少初学手机联网开发的朋友都想知道Http与Socket连接究竟有什么区别，希望通过自己的浅显理解能对初学者有所帮助。

TCP连接
要想明白Socket连接，先要明白TCP连接。手机能够使用联网功能是因为手机底层实现了TCP/IP协议，可以使手机终端通过无线网络建立TCP连接。TCP协议可以对上层网络提供接口，使上层网络数据的传输建立在“无差别”的网络之上。

要弄清TCP建立连接需要几次交互才行，我们需要弄清建立连接进行初始化的目标是什么。TCP进行握手初始化一个连接的目标是：分配资源、初始化序列号(通知peer对端我的初始序列号是多少)，知道初始化连接的目标，那么要达成这个目标的过程就简单了。

握手过程可以简化为下面的四个步骤：
1 ) clien 端首先发送一个 SYN 包告诉 Server 端我的初始序列号是 X；
2 ) Server 端收到 SYN 包后回复给 client 一个 ACK 确认包，告诉 client 说我收到了；
3 ) 接着 Server 端也需要告诉 client 端自己的初始序列号，于是 Server 也发送一个 SYN 包告诉 client 我的初始序列号是Y；
4 ) Client 收到后，回复 Server 一个 ACK 确认包说我知道了。

整个过程4次交互即可完成初始化，但是，细心的同学会发现两个问题：
1）Server发送SYN包是作为发起连接的SYN包，还是作为响应发起者的SYN包呢？怎么区分？比较容易引起混淆；
2）Server的ACK确认包和接下来的SYN包可以合成一个SYN ACK包一起发送的，没必要分别单独发送，这样省了一次交互同时也解决了问题[1]. 这样TCP建立一个连接，三次握手在进行最少次交互的情况下完成了Peer两端的资源分配和初始化序列号的交换。

大部分情况下建立连接需要三次握手，也不一定都是三次，有可能出现四次握手来建立连接的。

建立起一个TCP连接需要经过“三次握手”：

三次握手.png

第一次握手：客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；

第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

第三次握手：
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；握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP连接都将被一直保持下去。断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开TCP连接的请求，断开过程需要经过“四次握手”

四次挥手:

四次挥手.png

假设Client端发起中断连接请求，也就是发送FIN报文；因为正常情况下FIN同步报文和ACK确认标志是一起发送的，但是因为在断开链接的时候，可能出现服务器端还有一些数据没有传输完，所以就将同步报文和确认标志分开传输给客户端；Server端接到FIN报文后，意思是说"我Client端没有数据要发给你了"，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK，"告诉Client端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态，继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成，则向Client端发送FIN报文，"告诉Client端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后，"就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。“，Server端收到ACK后，"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。Ok，TCP连接就这样关闭了！

HTTP连接
HTTP协议即超文本传送协议(HypertextTransferProtocol )是Web联网的基础，也是手机联网常用的协议之一，HTTP协议是建立在TCP协议之上的一种应用。HTTP连接最显著的特点是客户端发送的每次请求都需要服务器回送响应，在请求结束后，会主动释放连接。从建立连接到关闭连接的过程称为“一次连接”。
1.在HTTP 1.0中，客户端的每次请求都要求建立一次单独的连接，在处理完本次请求后，就自动释放连接。

2.在HTTP 1.1中则可以在一次连接中处理多个请求，并且多个请求可以重叠进行，不需要等待一个请求结束后再发送下一个请求。由于HTTP在每次请求结束后都会主动释放连接，因此HTTP连接是一种“短连接”，要保持客户端程序的在线状态，需要不断地向服务器发起连接请求。通常的做法是即时不需要获得任何数据，客户端也保持每隔一段固定的时间向服务器发送一次“保持连接”的请求，服务器在收到该请求后对客户端进行回复，表明知道客户端“在线”。若服务器长时间无法收到客户端的请求，则认为客户端“下线”，若客户端长时间无法收到服务器的回复，则认为网络已经断开。

3.2 、建立socket连接

建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为ClientSocket，另一个运行于服务器端，称为ServerSocket。

套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。

服务器监听：服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求。

客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。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，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。

连接确认：当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。而服务器端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。

SOCKET连接与TCP连接
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连接与HTTP连接
由于通常情况下Socket连接就是TCP连接，因此Socket连接一旦建立，通信双方即可开始相互发送数据内容，直到双方连接断开。但在实际网络应用中，客户端到服务器之间的通信往往需要穿越多个中间节点，例如路由器、网关、防火墙等，大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致
Socket 连接断连，因此需要通过轮询告诉网络，该连接处于活跃状态。而HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式，不仅在请求时需要先建立连接，而且需要客户端向服务器发出请求后，服务器端才能回复数据。
很多情况下，需要服务器端主动向客户端推送数据，保持客户端与服务器数据的实时与同步。此时若双方建立的是Socket连接，服务器就可以直接将数据传送给客户端；若双方建立的是HTTP连接，则服务器需要等到客户端发送一次请求后才能将数据传回给客户端，因此，客户端定时向服务器端发送连接请求，不仅可以保持在线，同时也是在“询问”服务器是否有新的数据，如果有就将数据传给客户端。

我个人另外一些知识整理放在个人搭建的博客里面，有需要的朋友欢迎互粉传送门

                注:(如何在代码中运用，大家可以去自行实现，这里只是对于大家容易弄混淆的知识点加以整理，如有不正确之处，欢迎指正。)