网络编程方法

网络编程概念

所谓网络编程，是指通过编程的手段，将一台主机上的信息通过网络发送到另一台主机上。而我们把这些能使得网络中的两台主机通信的程序称之为网络程序/网络应用/网络服务，如 DNS，FTP，Telnet，HTTP 等等。

网络编程通常采用的是经典的客户端-服务器模型，如面向连接的客户端服务器通信过程（以四层的 TCP/IP 模型说明）：

1）同一个局域网：LAN

图1 局域网客户端-服务器通信流程图

2）不同局域网：WAN

图2 广域网客户端-服务器通信流程图

从上图中可以看到，客户端与服务器想要通信则必须调用操作系统提供的方法，完成协议栈的转换与数据交换。而网络环境错综复杂、网络介质种类不一，这时亟需要一种两个端点在网络中通信（交换数据）的抽象，使得上层的应用程序可以屏蔽掉下层这些网络细节，从而专注于实现具体的网络应用。

伯克利套接字的诞生

1983 年，加州大学伯克利分校发布 4.2BSD Unix 操作系统，包含其中的有一套网络应用程序编程接口库，简称伯克利套接字（全称 Internet Berkeley Sockets），由于其抽象的优雅性以及使用的便捷性，如今伯克利套接字已经是事实上的网络套接字标准。所有的现代操作系统 Socket 实现均源于伯克利套接字，包括微软 Windows 的 Winsock。

网络套接字设计

可以说，自上个世纪八十年代伯克利套接字诞生之日起，套接字基本上就是今天的样子（虽然中间有过几次小修补），足见其本身设计的优秀之处。所有的网络编程无一例外地使用套接字实现，套接字编程已然等同于网络编程。

1）理解 Socket 概念

Socket 是操作系统内核提供的一套 TCP/IP 协议栈的抽象，用于网络中两个端点（endpoint）的通信。从字面意思上理解，Socket 直译是插座的意思，可类比为物理上的插孔连接器，两个端点之间要想通过可视化的电缆通道（即网络）通信，则只需将端点上的插头（即应用程序）插入到插孔连接器（即插座）中即可（如封面图所示），而这其中插入的过程就是网络编程。

上面是站在应用层的角度看 Socket，如果站在操作系统内核的角度，Socket 到底是什么呢？

在 Unix 操作系统『一切皆文件』的设计哲学指导下，Socket 也被抽象为一种特殊类型的文件，可以通过统一的文件方法调用等来操作它，即 Socket 本质是一种字节流（a stream of bytes）。

注：在《UNIX 网络编程卷 1：套接字网络 API》一书中，译者认为 Socket 一次翻译为『套接口』更为准确，而创建套接字返回的文件描述符则称为『套接字』。因为 Socket 实际上就是一套内核提供的 API 接口，无奈『套接字』的译法已被广泛接受。

不同类型的 Socket 有不同的属性，下面从创建 Socket 方法调用着手，看下操作系统具体支持哪些 socket 类型，以 Unix 操作系统的 POSIX.1 规范为例：

# include <sys/socket.h>// 创建Socket：若成功则返回文件（套接字）描述符，否则返回-1int socket(int domain, int type, int protocol);

参数含义

• domain：套接字通信域，决定 Socket 地址格式与寻址方式

• AF_UNIX：UNIX 域，用于同一主机上的程序之间的通信。

• AF_INET：IPv4 因特网域，用于互联网上不同主机上程序之间的通信。

• AF_INET6：IPv4 因特网域。

• AF_UNSPEC：未指定

• type：所在通信域采用的套接字类型，决定 Socket 通信格式

• SOCK_STREAM：有序、可靠、双向的面向连接的字节流，默认协议 TCP。

• SOCK_DGRAM：长度固定、无链接的不可靠报文传递，默认协议为 UDP。

• SOCK_RAW：IP 协议层的数据报接口

• SOCK_SEQPACKET：长度固定、有序、可靠的面向连接报文传递，与 SOCK_STREAM 类似，但从该类型套接字是基于报文而不是基于字节流。默认协议 SCTP（该协议起步较晚，未广泛集成于 TCP/IP 协议栈中，目前主要用于电信领域）。

• protocol：套接字类型支持的协议，决定 Socket 基于的通信协议

2）Socket 所在协议层位置

从根据上面图 1 与图 2 的客户端服务器模型可以看到套接字接口位于传输层与应用层之间，这样设计的好处是：

应用层与传输层之间的地方是网络应用与通信细节的分界点：应用层主要处理具体网络应用服务的所有细节，对通信细节了解甚少；传输层及以下对网络应用了解不多，但是要处理所有通信细节，如发送数据、等待确认，给无需到达的数据排序，计算并验证校验和等等。

所有现代操作系统均区分用户态与内核态：应用层构建的是用户态进程；传输层及以下通常作为操作系统内核实现的一部分。

凡事皆有例外。

在广域网（或互联网）中的路由器或三层交换机等网络设备（如上图 2）通常不要求实现传输层的协议，因为它们的所有操作均在 IP 层即可完成。然而，某些场景下网络设备也需要使用到 socket 相关信息，如 NAT，Qos 支持等，这就需要内核提供套接字接口直接访问下层的 IP 层（即此时需要自己构建协议首部）。为此，套接字标准的套接字类型定义了 SOCK_RAW 类型，专用于这些网络设备中，配合路由协议如 IGRP 和 OSPF 以及 ICMP。所以，套接字所在的准确网络层级位置如下图 3 所示

注：Linux 系统还增加了 SOCK_PACKET 类型，直接从网络驱动层获取报文，tcpdump 工具就是基于此实现的。

套接字编程方法

Socket 通常用于客户端与服务器之间通信（即交换信息）。典型的系统设计是服务器在一台机器上，客户端在另外一台机器上，然后客户端连接到服务器，交换信息，最后断开连接。所有现代操作系统均提供了一套 Socket API 用于编写网络应用，下面是基于 TCP 协议的 Socket API 流程

关于具体 API 细节，请自行 RTFM。

总结

本文介绍了网络编程中的概念与原理，以及从设计者的角度分析 Socket 实现的『知其所以然』部分。本文力求做到简单易懂，这并不意味着网络编程很简单（可不只是调用几个系统 API...）。实现一个网络应用程序（如 TCP/HTTP/WebSocket 服务器）不难，难的是基于当前业务场景针对具体操作系统与网络协议不断调优，提供一个高性能/高并发且稳定可靠的网络服务。