Linux网络：socket网络套接字

Socket（套接字）是网络编程的基石，它为不同主机上的进程间通信（IPC）提供了一个统一的编程接口。在 Linux 系统中，Socket 编程遵循 BSD Socket API，这套接口非常强大且被广泛支持。

1. 什么是 Socket？

可以将 Socket 想象成一个端点（Endpoint），它代表了网络通信的一端。就像电话通信需要一个电话号码和一部电话机一样，网络通信也需要一个地址（IP + 端口）和一个用于收发数据的“接口”，这个接口就是 Socket。

• 核心作用：Socket 是应用层与传输层之间的一个抽象层，它把复杂的 TCP/IP 协议族隐藏在背后，为应用程序提供了一套简单的接口（如 send, recv, connect, listen 等）。
• 文件描述符：在 Linux 中，Socket 也被视为一种特殊的文件。创建一个 Socket 会返回一个文件描述符（File Descriptor），后续的读写操作（read, write 或专用的 send, recv）都通过这个文件描述符进行，这体现了 Linux “一切皆文件”的哲学。

2. Socket 的关键属性

一个 Socket 由以下几个关键属性定义：

• 协议族（Protocol Family / Domain）:
  • AF_INET: IPv4 协议族。
  • AF_INET6: IPv6 协议族。
  • AF_UNIX / AF_LOCAL: 本地进程间通信（Unix Domain Socket）。
  • 最常用的是 AF_INET。
• Socket 类型（Socket Type）:
  • SOCK_STREAM: 面向连接的、可靠的、基于字节流的服务。通常使用 TCP 协议。数据按顺序到达，无重复。
  • SOCK_DGRAM: 无连接的、不可靠的、基于数据报的服务。通常使用 UDP 协议。数据以独立的数据包发送，可能丢失、重复或乱序。
  • SOCK_RAW: 原始套接字，允许直接访问底层网络协议（如 IP、ICMP），用于开发网络工具（如 ping, traceroute）。
• 协议（Protocol）:
  • 通常设置为 0，表示使用默认协议（SOCK_STREAM 对应 TCP，SOCK_DGRAM 对应 UDP）。
  • 可以明确指定，如 IPPROTO_TCP, IPPROTO_UDP。

3. 基于 TCP 的 Socket 编程流程（面向连接）

这是最常见和最可靠的通信模式。

3.1 服务器端（Server）

1. 创建 Socket (socket): c深色版本int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建一个用于监听的套接字
   • 返回一个文件描述符 sockfd。
2. 绑定地址和端口 (bind): c深色版本struct sockaddr_in server_addr; server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有网卡 server_addr.sin_port = htons(PORT); // 绑定端口号 bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
   • 将服务器的 IP 地址和端口号与创建的 Socket 关联起来。
3. 监听连接 (listen): c深色版本listen(sockfd, BACKLOG);
   • 将 Socket 状态从 CLOSED 变为 LISTEN，开始等待客户端的连接请求。
   • BACKLOG 参数指定了等待连接队列的最大长度。
4. 接受连接 (accept): c深色版本struct sockaddr_in client_addr; socklen_t client_len = sizeof(client_addr); int client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
   • 阻塞等待客户端连接。
   • 成功后，返回一个新的文件描述符 client_fd，专门用于与这个特定的客户端通信。
   • 原来的 sockfd 继续用于监听新的连接。
5. 数据通信 (read/write 或 recv/send): c深色版本char buffer[1024]; int n = read(client_fd, buffer, sizeof(buffer)); // 从客户端读取数据 write(client_fd, "Hello Client!", 13); // 向客户端发送数据
6. 关闭连接 (close): c深色版本close(client_fd); // 关闭与特定客户端的连接 close(sockfd); // 关闭监听套接字（程序结束时）

3.2 客户端（Client）

1. 创建 Socket (socket): c深色版本int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
2. 连接服务器 (connect): c深色版本struct sockaddr_in server_addr; server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("服务器IP"); server_addr.sin_port = htons(PORT); connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
   • 向服务器发起连接请求。成功后，TCP 三次握手完成。
3. 数据通信 (read/write): c深色版本write(sockfd, "Hello Server!", 13); // 发送数据到服务器 char buffer[1024]; int n = read(sockfd, buffer, sizeof(buffer)); // 从服务器接收数据
4. 关闭连接 (close): c深色版本close(sockfd);

4. 基于 UDP 的 Socket 编程流程（无连接）

UDP 是无连接的，因此流程更简单，但需要自己处理可靠性。

4.1 服务器端（Server）

1. 创建 Socket: c深色版本int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
2. 绑定地址和端口 (bind): c深色版本bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

ONLINE.SDDANTUOJI.CN24丨JRS.XLSY.CN80丨MAP.HZBESTSEO.COM32丨ZHIBO.JS-SJL.CN68
WEIBO.SDDANTUOJI.CN88丨WEIBO.CSWDYS.COM68丨VIP.JXLGDL.COM16丨M.ZYZJZD.CN72
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1. 接收数据 (recvfrom): c深色版本struct sockaddr_in client_addr; socklen_t client_len = sizeof(client_addr); char buffer[1024]; int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
   • recvfrom 会返回发送方的地址信息（IP 和端口），这对于后续回复至关重要。
2. 发送数据 (sendto): c深色版本sendto(sockfd, "Hello UDP Client!", 17, 0, (struct sockaddr*)&client_addr, client_len);
   • 使用 sendto 指定目标地址。
3. 关闭 (close): c深色版本close(sockfd);

4.2 客户端（Client）

1. 创建 Socket: c深色版本int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
2. 发送数据 (sendto): c深色版本sendto(sockfd, "Hello UDP Server!", 17, 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
   • 客户端通常不需要 bind，系统会自动分配一个临时端口。
3. 接收数据 (recvfrom): c深色版本char buffer[1024]; int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL); // 通常不关心服务器的地址，或者已经知道
4. 关闭 (close): c深色版本close(sockfd);

5. 重要概念与注意事项

• 字节序（Byte Order）:
  • 网络传输使用大端序（Big-Endian）。
  • 主机字节序可能是小端序或大端序。
  • 使用 htons() (host to network short), htonl() (host to network long), ntohs(), ntohl() 进行转换，特别是端口号和 IP 地址。
• IP 地址转换:
  • inet_addr(): 将点分十进制字符串（如 "192.168.1.1"）转换为网络字节序的整数。
  • inet_ntoa(): 反向转换。
  • 更现代的函数：inet_pton() 和 inet_ntop()，支持 IPv4 和 IPv6。
• 阻塞与非阻塞 I/O:
  • 默认情况下，Socket 是阻塞的（如 accept, read 会等待）。
  • 可以通过 fcntl() 设置为非阻塞模式，配合 select, poll, epoll 实现高并发（I/O 多路复用）。
• 错误处理:
  • 几乎每个 Socket 系统调用都可能失败，必须检查返回值（通常为 -1 表示错误），并使用 perror() 或 strerror(errno) 打印错误信息。
• 优雅关闭:
  • 使用 shutdown() 可以单独关闭读或写方向。
  • close() 会释放文件描述符并尝试关闭连接。

6. 总结

Socket 是 Linux 网络编程的核心。理解其工作原理和编程流程是开发网络应用的基础。

• TCP：可靠、有序、面向连接，适用于 HTTP、FTP、SSH 等。
• UDP：快速、轻量、无连接，适用于 DNS、视频流、实时游戏等对速度要求高、能容忍少量丢包的场景。

掌握 Socket 编程，你就能构建从简单的客户端/服务器应用到复杂的网络服务。建议从编写一个简单的 TCP 回显服务器/客户端开始实践。