网络编程懒人入门 (十四)：到底什么是 Socket？一文即懂！
本文由 cxuan 分享，原题“原来这才是 Socket”，有修订。
1、引言
本系列文章前面那些主要讲解的是计算机网络的理论基础，但对于即时通讯 IM 这方面的应用层开发者来说，跟计算机网络打道的其实是各种 API 接口。
本篇文章就来聊一下网络应用程序员最熟悉的 Socket 这个东西，抛开生涩的计算机网络理论，从应用层的角度来理解到底什么是 Socket。
对于 Socket 的认识，本文将从以下几个方面着手介绍：
1）Socket 是什么；
2）Socket 是如何创建的；
3）Socket 是如何连接的；
4）Socket 是如何收发数据的；
5）Socket 是如何断开连接的；
6）Socket 套接字的删除等。
特别说明：本文中提到的“Socket”、“网络套接字”、“套接字”，如无特殊指明，指的都是同一个东西哦。
2、Socket 是什么
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特定问题的，比如：
1）TCP 的设计就负责安全可靠的传输数据；
2）UDP 设计就是报文小，传输效率高；
3）ARP 的设计是能够通过 IP 地址查询物理（Mac）地址；
4）ICMP 的设计目的是返回错误报文给主机；
5）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（关于 DNS 请见《理论联系实际，全方位深入理解DNS》）。
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 Socket 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 Socket 是啥玩意。
我们在 Windows 的命令提示符中输入：
netstat-ano
# netstat 用于显示 Socket 内容 , -ano 是可选选项
# a 不仅显示正在通信的 Socket，还显示包括尚未开始通信等状态的所有 Socket
# n 显示 IP 地址和端口号
# o 显示 Socket 的程序 PID
我的计算机会出现下面结果：
如上图所示：
1）每一行都相当于一个 Socket；
2）每一列也被称为一个元组。
所以，一个 Socket 就是五元组：
1）协议；
2）本地地址；
3）外部地址；
4）状态；
5）PID。
PS：有的时候也被叫做四元组，四元组不包括协议。
我们来解读一下上图中的数据，比如图中的第一行：
1）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）。
2）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。关于各种状态之间的转换，大家可以阅读《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》）。
3）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。
3、Socket 是如何创建的
通过上节的讲解，现在你可能对 Socket 有了一个基本的认识，先喝口水，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 Socket，协议栈会根据应用程序的申请创建 Socket：首先分配一个 Socket 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 Socket 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 Socket 的创建就已经完成了。
Socket 创建完成后，会返回一个 Socket 描述符给应用程序，这个描述符相当于是区分不同 Socket 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。
4、Socket 是如何连接的
Socket 创建完成后，最终还是为数据收发服务的。但是，在数据收发之前，还需要进行一步“连接”（术语就是 connect），建立连接有一整套过程。
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？不是你想的这样。。。）。
实际上这个“连接”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。
Socket 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 Socket，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，可以开始“连接”过程了。
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。
以下是 connect 的伪码调用：
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 Socket。
Socket 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（如果大家不太清楚报文头的封装过程，可以阅读《快速理解TCP协议一篇就够》）。
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：
1）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；
2）ACK 就是相应的意思，它是对发送 SYN 数据包的响应；
3）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。
上面的文字不够生动，动画可以更好的说明这个过程：
▲ 上图引用自《跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》
（PS：这个“连接”的详细理论知识，可以阅读《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》、《跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》，这里不再赘述。）
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。
另外：如果你对 Socket 代码更熟悉的话，可以先读读这篇《手把手教你写基于TCP的Socket长连接》。
5、Socket 是如何收发数据的
当控制流程上节中的连接过程回到应用程序之后，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，所有的操作系统都会遵循下面这几个标准：
1）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。
2）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。
但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。
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。
上面的文字不够生动，动画可以更好的理解请求 - 确认机制：
▲ 上图引用自《跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》
网卡、集线器、路由器（见《史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门》）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，我们这篇文章不再赘述，大家可以阅读《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》来寻找答案。
PS：另一篇《我们在读写Socket时，究竟在读写什么？》中用动画详细说明了这个过程，有兴趣可以读一读。
6、Socket 是如何断开连接的
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。
无论哪一方发起断开连接的请求，都会调用 Socket 库的 close 程序。
我们以服务器断开连接为例：服务器发起断开连接请求，协议栈会生成断开连接的 TCP 头部，其实就是设置 FIN 位，然后委托 IP 模块向客户端发送数据，与此同时，服务器的 Socket 会记录下断开连接的相关信息。
收到服务器发来 FIN 请求后：客户端协议栈会将 Socket 标记为断开连接状态，然后，客户端会向服务器返回一个确认号，这是断开连接的第一步，在这一步之后，应用程序还会调用 read 来读取数据。等到服务器数据发送完成后，协议栈会通知客户端应用程序数据已经接收完毕。
只要收到服务器返回的所有数据，客户端就会调用 close 程序来结束收发操作，这时客户端会生成一个 FIN 发送给服务器，一段时间后服务器返回 ACK 号。至此，客户端和服务器的通信就结束了。
上面的文字不够生动，动画可以更好的说明这个过程：
▲ 上图引用自《跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》
PS：断开连接的详细理论知识，可以阅读《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》、《跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》，这里不再赘述。
7、Socket 的删除
上述通信过程完成后，用来通信的 Socket 就不再会使用了，此时我们就可以删除这个 Socket 了。
不过，这时候 Socket 不会马上删除，而是等过一段时间再删除。
等待这段时间是为了防止误操作，最常见的误操作就是客户端返回的确认号丢失，至于等待多长时间，和数据包重传的方式有关，这里我们就深入展开讨论了。
关于 Socket 操作的全过程，如果从系统的角度来看，可能会更深入一些，建议可以深入阅读张彦飞的《深入操作系统，从内核理解网络包的接收过程(Linux篇)》一文。
8、系列文章
本文是系列文章中的第 14 篇，本系列文章的大纲如下：
[1] 网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）
[2] 网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）
[4] 网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异
[5] 网络编程懒人入门(五)：快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势
[6] 网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门
[7] 网络编程懒人入门(七)：深入浅出，全面理解HTTP协议
[8] 网络编程懒人入门(八)：手把手教你写基于TCP的Socket长连接
[9] 网络编程懒人入门(九)：通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？
[10] 网络编程懒人入门(十)：一泡尿的时间，快速读懂QUIC协议
[12] 网络编程懒人入门(十二)：快速读懂Http/3协议，一篇就够！
[13] 网络编程懒人入门(十三)：一泡尿的时间，快速搞懂TCP和UDP的区别
[14] 网络编程懒人入门(十四)：到底什么是Socket？一文即懂！（* 本文)
9、参考资料
[1] TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议
[2] TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止
[3] TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传
[4] 快速理解网络通信协议（上篇）
[5] 快速理解网络通信协议（下篇）
[7] 假如你来设计网络，会怎么做？
[10] 浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)
[11] 关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT
[12] 从底层入手，深度分析TCP连接耗时的秘密
学习交流：
- 移动端 IM 开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》
- 开源 IM 框架源码：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK
（本文已同步发布于：http://www.52im.net/thread-3821-1-1.html）
还未添加个人签名 2019.08.26 加入
开源IM框架MobileIMSDK、BeautyEye的作者。
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