TCP/IP
要想理解socket首先得熟悉一下TCP/IP协议族， TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，定义了主机如何连入因特网及数据如何再它们之间传输的标准。
从字面意思来看TCP/IP是TCP和IP协议的合称，但实际上TCP/IP协议是指因特网整个TCP/IP协议族。不同于ISO模型的七个分层，TCP/IP协议参考模型把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中。
应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等
传输层：TCP，UDP
网络层：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP
数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU
每一抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务，看起来大概是这样子的。
图1.TCP/IP系列协议的四个抽象层
图2.TCP/IP的ISO模型的七个分层
Socket
网络中进程之间如何通信？首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，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）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。
那什么是socket呢？我们经常把socket翻译为套接字，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，以实现进程网络中通信。
图3.socket在TCP/IP抽象层中的位置
socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，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，可以向自己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。
Socket通信流程
socket是"打开—读/写—关闭"模式的实现，以使用TCP协议通讯的socket为例，其交互流程大概是这样子的。
图4.TCP协议的socket通信流程图
服务器根据地址类型（ipv4,ipv6）、socket类型、协议创建socket
服务器为socket绑定ip地址和端口号
服务器socket监听端口号请求，随时准备接收客户端发来的连接，这时候服务器的socket并没有被打开
客户端创建socket
客户端打开socket，根据服务器ip地址和端口号试图连接服务器socket
服务器socket接收到客户端socket请求，被动打开，开始接收客户端请求，直到客户端返回连接信息。这时候socket进入阻塞状态，所谓阻塞即accept()方法一直到客户端返回连接信息后才返回，开始接收下一个客户端连接请求
客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息
服务器accept方法返回，连接成功
客户端向socket写入信息
服务器读取信息
客户端关闭
服务器端关闭
Socket的基本操作
下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。
socket()函数
int socket(int domain,int type,int protocol);
socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。
正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：
- domain:即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、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。
- 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。
- protocol：顾名思义，就是指定协议。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。
注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。
当我们调用socket()创建一个socket时，返回的socket描述字存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则当调用connect()、listen()时系统会随机分配一个端口。
bind()函数
正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。
int bind(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
函数的三个参数分别为：
- sockfd:即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
- 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，
如ipv4对应的是：
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对应的是：
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 */ };
Unix域对应的是：
#define UNIX_PATH_MAX 108 struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */ char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ };
-
addrlen:对应的是地址的长度。
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。
网络字节序与主机字节序
主机字节序：就是我们平常说的大端和小端模式：不同CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：
a)Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
b)Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
网络字节序：是TCP/IP中规定好的一种数据表示格式，它与具体的CPU类型、操作系统等无关，从而可以保证数据在不同主机之间传输时能够被正确解释，网络字节序采用Big-Endian排序方式。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。
所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。
listen()、connect()函数
如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。
int listen(int sockfd, int backlog); int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
listen()函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen()函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。
connect()函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect()函数来建立与TCP服务器的连接。
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()之后就向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。
int accept(int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen_t *addrlen);
accept()函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。
注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。
read()、write()等函数
万事具备只欠东风，至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：
1 read()/write() 2 recv()/send() 3 readv()/writev() 4 recvmsg()/sendmsg() 5 recvfrom()/sendto()
他们的声明如下：
/*-------------------------------------------------------------------------------*/ #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); /*-------------------------------------------------------------------------------*/
read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。
write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。
1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。
2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。
其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。
close()函数
在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。
#include <unistd.h> int close(int fd);
close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。
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。
socket中TCP的三次握手建立连接详解
我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：
- 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
- 客户端再向服务器发一个确认ACK K+1
之后就完成了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的哪几个函数中呢？请看下图：
图5.socket中发送的TCP三次握手
从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。
小结：客户端的connect在三次握手的第二次返回，而服务器段的accept在三次握手中的第三次返回。
socket中TCP的四次握手释放连接详解
上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：
图6.socket中发送的TCP四次握手
图示过程如下：
-
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。
这样每个方向上都有一个FIN和ACK。
一个例子
服务器段代码：
1 /* 2 2016-9-28 12:09:45 3 @author:CodingMengmeng 4 language:C; 5 */ 6 7 //Server. 8 #include <stdio.h> //用于printf等函数的调用 9 #include <winsock2.h> //Socket的函数调用 10 #pragma comment (lib, "ws2_32") //C语言引用其他类库时，除了.h文件外，还要加入对应的lib文件（这个不同于C#） 11 12 int main() 13 { 14 /* 15 为了在应用程序当中调用任何一个Winsock API函数，首先第一件事情就是必须通过WSAStartup函数完成对Winsock服务的初始化， 16 因此需要调用WSAStartup函数。使用Socket的程序在使用Socket之前必须调用WSAStartup函数。 17 该函数的第一个参数指明程序请求使用的Socket版本，其中高位字节指明副版本、低位字节指明主版本； 18 操作系统利用第二个参数返回请求的Socket的版本信息。 19 当一个应用程序调用WSAStartup函数时，操作系统根据请求的Socket版本来搜索相应的Socket库，然后绑定找到的Socket库到该应用程序中。 20 以后应用程序就可以调用所请求的Socket库中的其它Socket函数了。 21 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22 int WSAStartup ( WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData ); 23 (1)wVersionRequested：一个WORD（双字节）型数值，在最高版本的Windows Sockets支持调用者使用，高阶字节指定小版本(修订本)号,低位字节指定主版本号。 24 (2)lpWSAData 指向WSADATA数据结构的指针，用来接收Windows Sockets 实现的细节 25 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 26 本函数必须是应用程序或DLL调用的第一个Windows Sockets函数。 27 */ 28 WSADATA wsaData;//用来接收Windows Sockets实现的细节 29 WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);//完成对Winsock服务的初始化 30 SOCKET s = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);//地址类型：AF_INET；socket类型：SOCK_STREAM；协议类型：TCP 31 sockaddr_in sockaddr;//要绑定给sockfd的协议地址 32 sockaddr.sin_family = PF_INET;//AF_INET决定了地址类型要使用ipv4地址（32位）与端口号（16位）的组合 33 sockaddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //需要绑定到本地的哪个IP地址|| 127.0.0.1是回送地址，指本地机 34 sockaddr.sin_port = htons(9000); //需要监听的端口 35 bind(s, (SOCKADDR*)&sockaddr, sizeof(SOCKADDR)); //进行绑定动作 36 listen(s, 1); //启动监听 37 printf("listening on port [%d]. ", 9000); 38 int n; 39 40 SOCKADDR clientAddr; 41 int size = sizeof(SOCKADDR); 42 SOCKET clientsocket; 43 clientsocket = accept(s, &clientAddr, &size); //阻塞，直到有新tcp客户端连接 44 printf("***SYS*** New client touched. "); 45 char* msg = "Hello, my client. "; 46 char* revFlag = "Copy that! "; 47 send(clientsocket, msg, strlen(msg) + sizeof(char), NULL); //这里的第三个参数要注意，是加了一个char长度的 48 while (TRUE) 49 { 50 char buffer[MAXBYTE] = { 0 }; 51 n=recv(clientsocket, buffer, MAXBYTE, NULL);//一直接收客户端socket的send操作 52 //recv只有接收到数据才会往下执行，否则一直等待 53 send(clientsocket, revFlag, strlen(revFlag) + sizeof(char), NULL); 54 buffer[n] = ' '; 55 printf("***Receive From Client***: %s ", buffer); 56 } 57 58 closesocket(clientsocket); //关闭客户端socket 59 closesocket(s);//关闭监听socket 60 61 WSACleanup(); //卸载 62 getchar(); 63 exit(0); 64 }
客户端代码：
1 /* 2 2016-9-28 12:11:41 3 @author:CodingMengmeng 4 language:C; 5 */ 6 7 //Client. 8 #include <stdio.h> //用于输入、输出函数的调用,printf, gets 9 #include <winsock2.h> //socket头文件 10 #include <Windows.h> //为了方便调试，所以加入了等待2秒才进行连接server，这里用到了sleep函数 11 #pragma comment (lib, "ws2_32") //socket库文件 12 13 int main() 14 { 15 Sleep(2000); //沉睡2秒再连接server 16 WSADATA wsaData; 17 WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData); 18 SOCKET s = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); 19 sockaddr_in sockaddr;//描述服务器socket地址 20 sockaddr.sin_family = PF_INET; 21 sockaddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1"); 22 sockaddr.sin_port = htons(9000); 23 connect(s, (SOCKADDR*)&sockaddr, sizeof(SOCKADDR));//s:客户端的socket描述字；sockaddr：服务器的socket地址；sizeof(SOCKADDR)：服务器socket地址的长度 24 char buffer[MAXBYTE] = { 0 }; 25 recv(s, buffer, MAXBYTE, NULL); 26 printf("***SERVER*** SEND:%s", buffer); 27 while (TRUE) 28 { 29 memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); 30 char* mymsg = new char[100000]; 31 printf("Say something to Server: "); 32 gets(mymsg);//获取屏幕输入 33 send(s, mymsg, strlen(mymsg) + sizeof(char), NULL);//发送给服务器 34 recv(s, buffer, MAXBYTE, NULL);//接收服务器回传的响应，若未响应，则一直等待。 35 printf("***Receive From Server***: %s",buffer); 36 37 38 /* 39 recv函数中的bufferlength参数是可以固定值的 40 send函数中的bufferlength参数不能固定值，需要看实际长度，并且考虑到' '字符串 41 */ 42 } 43 closesocket(s); //关闭客户端socket 44 WSACleanup(); //卸载 45 getchar(); 46 exit(0); 47 }
当然上面的代码很简单，也有很多缺点，这就只是简单的演示socket的基本函数使用。其实不管有多复杂的网络程序，都使用的这些基本函数。上面的服务器使用的是迭代模式的，即只有处理完一个客户端请求才会去处理下一个客户端的请求，这样的服务器处理能力是很弱的，现实中的服务器都需要有并发处理能力！为了需要并发处理，服务器需要创建一个新的进程或者线程去处理请求等。
参考
2、Samaritans：简单理解Socket