Linux内核Socket通信原理和实例讲解

关于对 Socket 的认识，大致分为下面几个主题，Socket 是什么，Socket 是如何创建的，Socket 是如何连接并收发数据的，Socket 套接字的删除等。

Socket 是什么以及创建过程

一个数据包经由应用程序产生，进入到协议栈中进行各种报文头的包装，然后操作系统调用网卡驱动程序指挥硬件，把数据发送到对端主机。整个过程的大体的图示如下。

我们大家知道，协议栈其实是位于操作系统中的一些协议的堆叠，这些协议包括 TCP、UDP、ARP、ICMP、IP等。

通常某个协议的设计都是为了解决某些问题，比如 TCP 的设计就负责安全可靠的传输数据，UDP 设计就是报文小，传输效率高，ARP 的设计是能够通过 IP 地址查询物理（Mac）地址，ICMP 的设计目的是返回错误报文给主机，IP 设计的目的是为了实现大规模主机的互联互通。

应用程序比如浏览器、电子邮件、文件传输服务器等产生的数据，会通过传输层协议进行传输，而应用程序是不会和传输层直接建立联系的，而是有一个能够连接应用层和传输层之间的套件，这个套件就是 Socket。

在上面这幅图中，应用程序包含 Socket 和解析器，解析器的作用就是向 DNS 服务器发起查询，查询目标 IP 地址。

应用程序的下面就是操作系统内部，操作系统内部包括协议栈，协议栈是一系列协议的堆叠。操作系统下面就是网卡驱动程序，网卡驱动程序负责控制网卡硬件，驱动程序驱动网卡硬件完成收发工作。

在操作系统内部有一块用于存放控制信息的存储空间，这块存储空间记录了用于控制通信的控制信息。其实这些控制信息就是 Socket 的实体，或者说存放控制信息的内存空间就是套接字的实体。

这里大家有可能不太清楚所以然，所以我用了一下 netstat 命令来给大伙看一下套接字是啥玩意。

我们在 Windows 的命令提示符中输入

 netstat -ano
 
 # netstat 用于显示套接字内容 , -ano 是可选选项
 # a 不仅显示正在通信的套接字，还显示包括尚未开始通信等状态的所有套接字
 # n 显示 IP 地址和端口号
 # o 显示套接字的程序 PID

我的计算机会出现下面结果。

图中的每一行都相当于一个套接字，每一列也被称为一个元组，所以一个套接字就是五元组（协议、本地地址、外部地址、状态、PID）。有的时候也被叫做四元组，四元组不包括协议。

比如图中的第一行，它的协议就是 TCP，本地地址和远程地址都是 0.0.0.0，这表示通信还没有开始，IP 地址暂时还未确定，而本地端口已知是 135，但是远程端口还未知，此时的状态是 LISTENING，LISTENING 表示应用程序已经打开，正在等待与远程主机建立连接最后一个元组是 PID，即进程标识符，PID 就像我们的身份证号码，能够精确定位唯一的进程。

现在你可能对 Socket 有了一个基本的认识，现在喝口水，休息一下，让我们继续探究 Socket。

现在我有个问题，Socket 是如何创建的呢？

Socket 是和应用程序一起创建的。应用程序中有一个 socket 组件，在应用程序启动时，会调用 socket 申请创建套接字，协议栈会根据应用程序的申请创建套接字：首先分配一个套接字所需的内存空间，这一步相当于是为控制信息准备一个容器，但只有容器并没有实际作用，所以你还需要向容器中放入控制信息；如果你不申请创建套接字所需要的内存空间，你创建的控制信息也没有地方存放，所以分配内存空间，放入控制信息缺一不可。至此套接字的创建就已经完成了。

套接字创建完成后，会返回一个套接字描述符给应用程序，这个描述符相当于是区分不同套接字的号码牌。根据这个描述符，应用程序在委托协议栈收发数据时就需要提供这个描述符。

套接字连接

套接字创建完成后，最终还是为数据收发服务的，在数据收发之前，还需要进行一步 connect，也就是建立连接的过程。这个连接并不是真实的连接：用一根水管插在两个电脑之间。

而是应用程序通过 TCP/IP 协议标准从一个主机通过网络介质传输到另一个主机的过程。

套接字刚刚创建完成后，还没有数据，也不知道通信对象。在这种状态下，即使你让客户端应用程序委托协议栈发送数据，它也不知道发送到哪里。

所以浏览器需要根据网址来查询服务器的 IP 地址，做这项工作的协议是 DNS，查询到目标主机后，再把目标主机的 IP 告诉协议栈，至此，客户端这边就准备好了。

在服务器上，与客户端一样也需要创建套接字，但是同样的它也不知道通信对象是谁，所以我们需要让客户端向服务器告知客户端的必要信息：IP 地址和端口号。

现在通信双方建立连接的必要信息已经具备，只欠一股东南风了。通信双方收到数据之后，还需要一块位置来存放，这个位置就是缓冲区，它是内存的一部分，有了缓冲区，就能够进行数据的收发操作了。

OK，现在客户端想要给服务器发送一条数据，该进行哪些操作呢？

首先，客户端应用程序需要调用 Socket 库中的 connect 方法，提供 socket 描述符和服务器 IP 地址、端口号。

 connect(<描述符>、<服务器IP地址和端口号>)

这些信息会传递给协议栈中的 TCP 模块，TCP 模块会对请求报文进行封装，再传递给 IP 模块，进行 IP 报文头的封装，然后传递给物理层，进行帧头封装，之后通过网络介质传递给服务器，服务器上会对帧头、IP 模块、TCP 模块的报文头进行解析，从而找到对应的套接字，套接字收到请求后，会写入相应的信息，并且把状态改为正在连接。请求过程完成后，服务器的 TCP 模块会返回响应，这个过程和客户端是一样的。

在一个完整的请求和响应过程中，控制信息起到非常关键的作用（具体的作用我们后面会说）。

SYN 就是同步的缩写，客户端会首先发送 SYN 数据包，请求服务端建立连接。

ACK 就是相应的意思，它是对发送 SYN 数据包的响应。

FIN 是终止的意思，它表示客户端/服务器想要终止连接。

由于网络环境的复杂多变，经常会存在数据包丢失的情况，所以双方通信时需要相互确认对方的数据包是否已经到达，而判断的标准就是 ACK 的值。

当所有建立连接的报文都能够正常收发之后，此时套接字就已经进入可收发状态了，此时可以认为用一根管理把两个套接字连接了起来。

当然，实际上并不存在这个管子。建立连接之后，协议栈的连接操作就结束了，也就是说 connect 已经执行完毕，控制流程被交回给应用程序。

收发数据

当控制流程从 connect 回到应用程序之后，接下来就会直接进入数据收发阶段，数据收发操作是从应用程序调用 write 将要发送的数据交给协议栈开始的，协议栈收到数据之后执行发送操作。

协议栈不会关心应用程序传输过来的是什么数据，因为这些数据最终都会转换为二进制序列，协议栈在收到数据之后并不会马上把数据发送出去，而是会将数据放在发送缓冲区，再等待应用程序发送下一条数据。

为什么收到数据包不会直接发送出去，而是放在缓冲区中呢？

因为只要一旦收到数据就会发送，就有可能发送大量的小数据包，导致网络效率下降。所以协议栈需要将数据积攒到一定数量才能将其发送出去。

至于协议栈会向缓冲区放多少数据，这个不同版本和种类的操作系统有不同的说法，不过，所有的操作系统和种类都会遵循下面这几个标准：

第一个判断要素是每个网络包能够容纳的数据长度，判断的标准是 MTU，它表示的是一个网络包的最大长度。最大长度包含头部，所以如果单论数据区的话，就会用 MTU - 包头长度，由此的出来的最大数据长度被称为 MSS。

另一个判断标准是时间，当应用程序产生的数据比较少，协议栈向缓冲区放置数据效率不高时，如果每次都等到 MSS 再发送的话，可能因为等待时间太长造成延迟，在这种情况下，即使数据长度没有到达 MSS，也应该把数据发送出去。

协议栈并没有告诉我们怎样平衡这两个因素，如果数据长度优先，那么效率有可能比较低；如果时间优先，那又会降低网络的效率。

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内核学习地址：Linux内核源码/内存调优/文件系统/进程管理/设备驱动/网络协议栈

经过了一段时间。。。。。。

假设我们使用的是长度有限法则，此时缓冲区已满，协议栈要发送数据了，协议栈刚要把数据发送出去，却发现无法一次性传输这么大数据量（相对的）的数据，那怎么办呢？

在这种情况下，发送缓冲区中的数据就会超过 MSS 的长度，发送缓冲区中的数据会以 MSS 大小为一个数据包进行拆分，拆分出来的每块数据都会加上 TCP，IP，以太网头部，然后被放进单独的网络包中。

到现在，网络包已经准备好发往服务器了，但是数据发送操作还没有结束，因为服务器还未确认是否已经收到网络包。因此在客户端发送数据包之后，还需要服务器进行确认。

TCP 模块在拆分数据时，会计算出网络包偏移量，这个偏移量就是相对于数据从头开始计算的第几个字节，并将算好的字节数写在 TCP 头部，TCP 模块还会生成一个网络包的序号（SYN），这个序号是唯一的，这个序号就是用来让服务器进行确认的。

服务器会对客户端发送过来的数据包进行确认，确认无误之后，服务器会生成一个序号和确认号（ACK）并一起发送给客户端，客户端确认之后再发送确认号给服务器。

我们来看一下实际的工作过程。

首先，客户端在连接时需要计算出序号初始值，并将这个值发送给服务器。接下来，服务器通过这个初始值计算出确认号并返回给客户端。初始值在通信过程中有可能会丢弃，因此当服务器收到初始值后需要返回确认号用于确认。

同时，服务器也需要计算出从服务器到客户端方向的序号初始值，并将这个值发送给客户端。然后，客户端也需要根据服务器发来的初始值计算出确认号发送给服务器，至此，连接建立完成，接下来就可以进入数据收发阶段了。

数据收发阶段中，通信双方可以同时发送请求和响应，双方也可以同时对请求进行确认。

请求 - 确认机制非常强大，通过这一机制，我们可以确认接收方有没有收到某个包，如果没有收到则重新发送，这样一来，但凡网络中出现的任何错误，我们都可以即使发现并补救。

网卡、集线器、路由器都没有错误补救机制，一旦检测到错误就会直接丢弃数据包，应用程序也没有这种机制，起作用的只是 TCP/IP 模块。

由于网络环境复杂多变，所以数据包会存在丢失情况，因此发送序号和确认号也存在一定规则，TCP 会通过窗口管理确认号。

断开连接

当通信双方不再需要收发数据时，需要断开连接。不同的应用程序断开连接的时机不同。以 Web 为例，浏览器向 Web 服务器发送请求消息，Web 服务器再返回响应消息，这时收发数据就全部结束了，服务器可能会首先发起断开响应，当然客户端也有可能会首先发起（谁先断开连接是应用程序做出的判断），与协议栈无关。