09-套接字Socket

本人在“极客时间”上购买了一套“趣谈网络协议”的课程，本文为该课程第13讲（第13讲 套接字Socket）的课程笔记。

1.socket编程及参数

• Socket 编程基于 TCP 和 UDP 协议
• Socket 这个名字很有意思，可以作插口或者插槽讲。虽然我们是写软件程序，但是你可以想象为弄一根网线，一头插在客户端，一头插在服务端，然后进行通信。所以在通信之前，双方都要建立一个 Socket。
• Socket 编程进行的是端到端的通信，能够设置的参数，也只能是端到端协议之上网络层和传输层的。
• 在网络层，Socket 函数需要指定到底是 IPv4 还是 IPv6，分别对应设置为 AF_INET 和 AF_INET6。另外，还要指定到底是 TCP 还是 UDP。还记得咱们前面讲过的，TCP 协议是基于数据流的，所以设置为 SOCK_STREAM，而 UDP 是基于数据报的，因而设置为 SOCK_DGRAM。

2.基于 TCP 协议的 Socket 程序函数调用过程

1）TCP 的服务端要先监听一个端口，一般是先调用 bind 函数，给这个 Socket 赋予一个 IP 地址和端口。
2）当服务端有了 IP 和端口号，就可以调用 listen 函数进行监听。这个时候客户端就可以发起连接了。

• 在内核中，为每个 Socket 维护两个队列。
  • 一个是已经建立了连接的队列，这时候连接三次握手已经完毕，处于 established 状态；
  • 一个是还没有完全建立连接的队列，这个时候三次握手还没完成，处于 syn_rcvd 的状态。

3）接下来，服务端调用 accept 函数，拿出一个已经完成的连接进行处理。如果还没有完成，就要等着。

• 在服务端等待的时候，客户端可以通过 connect 函数发起连接。先在参数中指明要连接的 IP 地址和端口号，然后开始发起三次握手。内核会给客户端分配一个临时的端口。一旦握手成功，服务端的 accept 就会返回另一个 Socket。
• 这是一个经常考的知识点，就是监听的 Socket 和真正用来传数据的 Socket 是两个。
  • 一个叫作监听 Socket
  • 一个叫作已连接 Socket。
    4）连接建立成功之后，双方开始通过 read 和 write 函数来读写数据，就像往一个文件流里面写东西一样。

5）socket文件流

• TCP 的 Socket 就是一个文件流。
  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。

• 数据结构

  
  

3.基于 UDP 协议的 Socket 程序函数调用过程

• 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。

4.服务器如何接更多的项目

• 服务端最大并发TCP连接数理论值：
  最大 TCP 连接数 = 客户端 IP 数×客户端端口数。对 IPv4，客户端的 IP 数最多为 2 的 32 次方，客户端的端口数最多为 2 的 16 次方，也就是服务端单机最大 TCP 连接数，约为 2 的 48 次方。
• 作为老板，在资源有限的情况下，要想接更多的项目，就需要降低每个项目消耗的资源数目。
  1）将项目外包给其他公司（多进程方式）
  2）将项目转包给独立的项目组（多线程方式）
  3）一个项目组支撑多个项目（IO 多路复用，一个线程维护多个 Socket）
  4）一个项目组支撑多个项目（IO 多路复用，从“派人盯着”到“有事通知”）
  - epoll （能做事件通知的函数）被称为解决 C10K 问题的利器。
  - C10K，它的意思是一台机器要维护 1 万个连接，就要创建 1 万个进程或者线程，那么操作系统是无法承受的。