通过实例解析Socket套接字通信原理

Z时代
2024-01-10
分类：综合

一、Socket是什么

Socket 的中文翻译过来就是“套接字”。套接字是什么，我们先来看看它的英文含义：插座。

Socket 就像一个电话插座，负责连通两端的电话，进行点对点通信，让电话可以进行通信，端口就像插座上的孔，端口不能同时被其他进程占用。而我们建立连接就像把插头插在这个插座上，创建一个 Socket 实例开始监听后，这个电话插座就时刻监听着消息的传入，谁拨通我这个“IP 地址和端口”，我就接通谁。

实际上，Socket 是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把 TCP/IP 层复杂的操作抽象为几个简单的接口，供应用层调用实现进程在网络中的通信。Socket 起源于 UNIX，在 UNIX 一切皆文件的思想下，进程间通信就被冠名为文件描述符（file descriptor），Socket 是一种“打开—读/写—关闭”模式的实现，服务器和客户端各自维护一个“文件”，在建立连接打开后，可以向文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

另外我们经常说到的Socket 所在位置如下图：

二、Socket有哪些类型

世界上有很多种套接字（socket），比如 DARPA Internet 地址（Internet 套接字）、本地节点的路径名（Unix套接字）、CCITT X.25地址（X.25 套接字）等。我们只介绍第一种套接字——Internet 套接字，它是最具代表性的，也是最经典最常用的。以后我们提及套接字，指的都是 Internet 套接字。

根据数据的传输方式，可以将 Internet 套接字分成两种类型。

流格式套接字（SOCK_STREAM）

流格式套接字（Stream Sockets）也叫“面向连接的套接字”，是一种可靠的、双向的通信数据流，数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送。

其特点：

数据在传输过程中不会消失；

数据是按照顺序传输的；

数据的发送和接收不是同步的（有的教程也称“不存在数据边界”）。

可以将SOCK_STREAM 比喻成一条传送带，只要传送带本身没有问题（不会断网），就能保证数据不丢失；同时，较晚传送的数据不会先到达，较早传送的数据不会晚到达，这就保证了数据是按照顺序传递的。

为什么流格式套接字可以达到高质量的数据传输呢？这是因为它使用了 TCP 协议（The Transmission Control Protocol，传输控制协议），TCP 协议会控制你的数据按照顺序到达并且没有错误。

你也许见过 TCP，是因为你经常听说“TCP/IP”。TCP 用来确保数据的正确性，IP（Internet Protocol，网络协议）用来控制数据如何从源头到达目的地，也就是常说的“路由”。

那么，“数据的发送和接收不同步”该如何理解呢？

假设传送带传送的是水果，接收者需要凑齐 100 个后才能装袋，但是传送带可能把这 100 个水果分批传送，比如第一批传送 20 个，第二批传送 50 个，第三批传送 30 个。接收者不需要和传送带保持同步，只要根据自己的节奏来装袋即可，不用管传送带传送了几批，也不用每到一批就装袋一次，可以等到凑够了 100 个水果再装袋。

流格式套接字的内部有一个缓冲区（也就是字符数组），通过 socket 传输的数据将保存到这个缓冲区。接收端在收到数据后并不一定立即读取，只要数据不超过缓冲区的容量，接收端有可能在缓冲区被填满以后一次性地读取，也可能分成好几次读取。

也就是说，不管数据分几次传送过来，接收端只需要根据自己的要求读取，不用非得在数据到达时立即读取。传送端有自己的节奏，接收端也有自己的节奏，它们是不一致的。

流格式套接字有什么实际的应用场景吗？浏览器所使用的 http 协议就基于面向连接的套接字，因为必须要确保数据准确无误，否则加载的 HTML 将无法解析。

数据报格式套接字（SOCK_DGRAM）

数据报格式套接字（Datagram Sockets）也叫“无连接的套接字”。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。

因为数据报套接字所做的校验工作少，所以在传输效率方面比流格式套接字要高。

有以下特征：

强调快速传输而非传输顺序；

传输的数据可能丢失也可能损毁；

限制每次传输的数据大小；

数据的发送和接收是同步的

众所周知，速度是快递行业的生命。用摩托车发往同一地点的两件包裹无需保证顺序，只要以最快的速度交给客户就行。这种方式存在损坏或丢失的风险，而且包裹大小有一定限制。因此，想要传递大量包裹，就得分配发送。

另外，用两辆摩托车分别发送两件包裹，那么接收者也需要分两次接收，所以“数据的发送和接收是同步的”；换句话说，接收次数应该和发送次数相同。

总之，数据报套接字是一种不可靠的、不按顺序传递的、以追求速度为目的的套接字。

数据报套接字也使用 IP 协议作路由，但是它不使用 TCP 协议，而是使用 UDP 协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。

QQ 视频聊天和语音聊天就使用SOCK_DGRAM 来传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响。

注意：SOCK_DGRAM 没有想象中的糟糕，不会频繁的丢失数据，数据错误只是小概率事件。

三、Socket通信过程

Socket 保证了不同计算机之间的通信，也就是网络通信。对于网站，通信模型是服务器与客户端之间的通信。两端都建立了一个 Socket 对象，然后通过 Socket 对象对数据进行传输。通常服务器处于一个无限循环，等待客户端的连接。

下面是面向连接的 TCP 时序图：

客户端过程

客户端的过程比较简单，创建 Socket，连接服务器，将 Socket 与远程主机连接（注意：只有 TCP 才有“连接”的概念，一些 Socket 比如 UDP、ICMP 和 ARP 没有“连接”的概念），发送数据，读取响应数据，直到数据交换完毕，关闭连接，结束 TCP 对话。


import socket
import sys
if __name__ == '__main__':
  sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 创建 Socket 连接
  sock.connect(('127.0.0.1', 8001)) # 连接服务器
  while True:
    data = input('Please input data:')
    if not data:
      break
    try:
      sock.sendall(data)
    except socket.error as e:
      print('Send Failed...', e)
      sys.exit(0)
    print('Send Successfully')
    res = sock.recv(4096) # 获取服务器返回的数据，还可以用 recvfrom()、recv_into() 等
    print(res)
  sock.close()

sock.sendall(data)

这里也可用 send() 方法：不同在于 sendall() 在返回前会尝试发送所有数据，并且成功时返回 None，而 send() 则返回发送的字节数量，失败时都抛出异常。

服务端过程

服务端先初始化 Socket，建立流式套接字，与本机地址及端口进行绑定，然后通知 TCP，准备好接收连接，调用accept()阻塞，等待来自客户端的连接。如果这时客户端与服务器建立了连接，客户端发送数据请求，服务器接收请求并处理请求，然后把响应数据发送给客户端，客户端读取数据，直到数据交换完毕。最后关闭连接，交互结束。


import socket
import sys
if __name__ == '__main__':
  sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 创建 Socket 连接（TCP）
  print('Socket Created')
  try:
    sock.bind(('127.0.0.1', 8001)) # 配置 Socket，绑定 IP 地址和端口号
  except socket.error as e:
    print('Bind Failed...', e)
    sys.exit(0)
  sock.listen(5) # 设置最大允许连接数，各连接和 Server 的通信遵循 FIFO 原则
  while True: # 循环轮询 Socket 状态，等待访问
    conn, addr = sock.accept()
    try:
      conn.settimeout(10) # 如果请求超过 10 秒没有完成，就终止操作
      # 如果要同时处理多个连接，则下面的语句块应该用多线程来处理
      while True: # 获得一个连接，然后开始循环处理这个连接发送的信息
        data = conn.recv(1024)
        print('Get value ' + data, end='\n\n')
        if not data:
          print('Exit Server', end='\n\n')
          break
        conn.sendall('OK') # 返回数据
    except socket.timeout: # 建立连接后，该连接在设定的时间内没有数据发来，就会引发超时
      print('Time out')
    conn.close() # 当一个连接监听循环退出后，连接可以关掉
  sock.close()

conn, addr = sock.accept()

调用accept()时，Socket 会进入waiting状态。客户端请求连接时，方法建立连接并返回服务器。accept()返回一个含有两个元素的元组 (conn, addr)。第一个元素 conn 是新的 Socket 对象，服务器必须通过它与客户端通信；第二个元素 addr 是客户端的 IP 地址及端口。

data = conn.recv(1024)

接下来是处理阶段，服务器和客户端通过send()和recv()通信（传输数据）。

服务器调用send()，并采用字符串形式向客户端发送信息，send()返回已发送的字符个数。

服务器调用recv()从客户端接收信息。调用recv()时，服务器必须指定一个整数，它对应于可通过本次方法调用来接收的最大数据量。recv()在接收数据时会进入blocked状态，最后返回一个字符串，用它表示收到的数据。如果发送的数据量超过了recv()所允许的，数据会被截短。多余的数据将缓冲于接收端，以后调用recv()时，会继续读剩余的字节，如果有多余的数据会从缓冲区删除（以及自上次调用recv()以来，客户端可能发送的其它任何数据）。传输结束，服务器调用 Socket 的close()关闭连接。

四、从 TCP 连接的视角看 Socket 过程TCP 三次握手的 Socket 过程