1 进程通信

1. 本地进程间通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：
   • 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
   • 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
   • 共享内存（匿名的和具名的）
   • 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）
2. 网络通信：
   • 标识网络进程：三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。

2 网络层级

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层，而socket所在位置如图，Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层。

运输层协议：

1. UDP协议：

   • 无连接：意思就是在通讯之前不需要建立连接，直接传输数据。
   • 不可靠：是将数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证数据报能够到达另一端，任何必须的可靠性都由应用程序提供。

2. TCP协议：

   • TCP协议是面向连接的、可靠传输、有流量控制，拥塞控制，面向字节流传输等很多优点的协议。

3 什么是Socket

3.1 Socket套接字

那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭），这些函数我们在后面进行介绍。

3.2 Socket描述符

句柄：0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr

注意： socket 描述符待补充
Linux系统结构详解：https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/6122513#t7

4 socket 通信流程

4.1 socket 初始化函数

• 接口形式

  int socket(int domain, int type, int protocol);
  

• 参数说明

  1. domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET（IPV4）、AF_INET6（IPV6）、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
  2. type：指定socket类型。常用的socket类型有SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
  3. protocol：使用协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议等。

  注意： type和protocol不能随意组合，当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。同时这里也对应上面我们的标识网络的唯一标识。

• 返回值：
  返回socket 描述字

4.2 bind 函数

bind函数是把地址族中的特定的地址赋值给socket，即绑定socket通信地址。

• 接口形式：

  int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  

• 参数说明：

  1. sockfd：socket描述字，唯一标识一个socket
  2. addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同
     • ipv4 对应的结构：

       struct sockaddr_in {
           sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
           in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
           struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
       };
       
       /* Internet address. */
       struct in_addr {
           uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
       };
       

     • ipv6 对应的结构：

       struct sockaddr_in6 { 
           sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
           in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
           uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
           struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
           uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
       };
       
       struct in6_addr { 
           unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
       };
       

  3. addrlen： 对应的地址长度
     备注：通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。
     在绑定地址时，一定要注意网络字节序和主机字节序的不同，要将主机字节序转换为网络字节序

• 返回值：

  1. 0 成功
  2. SOCKET_ERROR 错误（<0）可用WSAGETLASTERROR 函数取错误码

4.3 listen() 、connect() 函数

1. listen 用来监听socket网络
2. connect 用来发出连接请求

4.3.1 服务端

• 接口形式：

  int listen(int sockfd, int backlog);
  

• 参数说明：
  backlog：相应socket可以排队的最大连接个数
• 返回值：
  1. 0 成功
  2. SOCKET_ERROR 错误（<0）可用WSAGETLASTERROR 函数取错误码

4.3.2 客户端

• 接口形式：

  int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  

• 参数说明：
• 返回值：

  1. 阻塞时：

     • 0 成功
     • SOCKET_ERROR 错误（<0）可用WSAGETLASTERROR 函数取错误码

  2. 非阻塞时：不能立即返回值
     返回值：https://blog.csdn.net/weixin_42316377/article/details/83050868?ops_request_misc={"request_id":"158211048119724839248846","scm":"20140713.130056874.."}&request_id=158211048119724839248846&biz_id=0&utm_source=distribute.pc_search_result.none-task

4.4 accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

• 接口形式：

  int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
  

• 参数说明：
  1. sockfd： 服务器的socket描述字
  2. addr： 返回客户端的协议地址
  3. addrlen：返回客户端的协议地址长度
• 返回值：
  已连接的socket描述字

4.5 read()、write()等函数

• 接口形式

  #include <unistd.h>
  
  ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  
  #include <sys/types.h>
  #include <sys/socket.h>
  
  ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
  ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
  
  ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                 const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
  ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                   struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
  
  ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
  ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
  

4.6 close()函数

• 接口形式：

  int close(int fd);
  

• 参数说明：
  fd ：socket 标识描述符

注意： close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

4.7 阻塞和非阻塞模式

默认创建的socket都是阻塞模式的，两种方式设置socket的模式：

1. 初始化socket 时设置socket阻塞模式：

int s = socket(AF_INET, SOCK_NONBLOCK, IPPROTO_TCP);

SOCK_NONBLOCK 是设置阻塞标志位的

2. 使用fcntl或ioctl函数设置阻塞模式：

int oldSocketFlag = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
int newSocketFlag = oldSocketFlag | O_NONBLOCK;
fcntl(sockfd, F_SETFL, newSocketFlag);

4.7.1 阻塞模式和非阻塞模式表现

内核缓冲区满时，不同模式的表现：

1. 当socket 是阻塞模式时，继续调用send/recv 函数，程序会阻塞在send/recv 调用处；
2. 当socket 是非阻塞模式时，继续调用send/recv 函数，send/recv函数不会阻塞程序执行流，而是立即出错并返回，我们会得到一个相关的错误码，在Linux 上该错误码为EWOULDBLOCK 或 EAGAIN （这两个错误码相同）

4.7.2 阻塞与非阻塞socket的各自适用场景

非阻塞模式一般用于需要支持高并发多QPS的场景（如服务器程序），但是非阻塞模式让程序的执行流和控制逻辑变得复杂。典型的阻塞模式应用场景：

1. 某程序需要临时发送一个文件，文件分段发送，每发送一段，对端对会给与一个响应，该程序可以单独开一个任务线程，在这个任务线程函数里面，使用先send再recv再send再recv的模式，每次send和recv都是阻塞模式的。
2. A端与B端之间的通信只有问答模式，即A端每发送给B端一个请求，B端必定会给A端一个响应。

4.8 0字节发送分析

两种情形可以让Send函数返回0：

1. 对端关闭连接时，我们正好可以尝试调用send函数发送数据
2. 本端尝试调用send函数发送0字节数据
   注意1： send 函数发送0字节数据，此时send函数返回0，但是client端的操作系统协议栈并不会把这些数据发送出去。
   注意2： recv函数只有在对端关闭连接时才会返回0，对端发送0字节的数据，本端的recv函数不会收到0字节的数据。

5 socket TCP三次握手

1. TCP 的三次握手流程：
   • 客户端向服务器发送一个SYN J
   • 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
   • 客户端再想服务器发一个确认ACK K+1
2. Socket 通信交互
   
   总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

6 socket TCP四次挥手

1. 四次挥手流程
   
   1）客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送
   2）服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
   3）服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A
   4）客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1

2. Socket通信交互
   

• 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
• 一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

每个方向上都有FIN和ACK对应

7 实践

一对一通信：

7.1 服务端

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include <unistd.h>

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define MAX_BUFFER (4096)

int main(int argc, char** argv)
{
    int sockServerfd, sockClientfd;
    int sockListenNum = 128;
    struct sockaddr_in clientAddr;
    char recvbuff[MAX_BUFFER], sendbuff[MAX_BUFFER];
    if ((sockClientfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
    {
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
        exit(0);
    }

    memset(&clientAddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
    clientAddr.sin_family = AF_INET;
    clientAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    clientAddr.sin_port = htons(1234);
    socklen_t clientAddrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
    if ((sockServerfd = connect(sockClientfd, (struct sockaddr*)&clientAddr, clientAddrLen)) < 0)
    {
        printf("connect socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
        exit(0);
    }

    while(true)
    {
        printf("send msg to server: ");
        fgets(sendbuff, MAX_BUFFER, stdin);
        int clen = send(sockClientfd, sendbuff, MAX_BUFFER, 0);
        if (clen < 0)
        {
            printf("Server Send Data Failed!\n");
            exit(0);
        }

        int slen = recv(sockClientfd, recvbuff, MAX_BUFFER, 0);
        if (slen < 0)
        {
            printf("Client Recv Data Failed!\n");
            exit(0);
        }

        printf("recv msg from server: %s\n", recvbuff);
    }

    close(sockClientfd);

    return 0;
}

8 常用的secket函数

9 网络工具

查看端口状态

lsof -i -Pn

模拟连接

nc -v -p 9999 127.0.0.1 3000

参考博文
https://www.cnblogs.com/jiangzhaowei/p/8261174.html
https://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html
https://www.cnblogs.com/wn1m/p/10983172.html