【网络协议】聊聊套接字socket

news2024/9/27 21:23:42

网络编程我们知道是通过socket进行编程的，其实socket也是基于TCP和UDP协议进行编程的。但是在socket层面是感知不到下层的，所以在设置参数的时候，其实是端到端协议智商的网络层和传输层。TCP是数据流所以设置为SOCK_STREAM，而UDP是基于数据报的，设置为SOCK_DGRAM

基于 TCP 协议的 Socket 程序函数调用过程

整体流程其实就是显示服务端进行bind ip+端口可以进一步确定机器和将数据发送给那个应用程序，然后就开始监听状态。

在内核中，为每个 Socket 维护两个队列。一个是已经建立了连接的队列，这时候连接三次握手已经完毕，处于 established 状态；一个是还没有完全建立连接的队列，这个时候三次握手还没完成，处于 syn_rcvd 的状态。

服务端拿出一个已经完成的连接进行处理，客户端通过connect函数创建连接，指明要连接的目标IP+port。内核会给客户端分配一个临时的端口。

监听的 Socket 和真正用来传数据的 Socket 是两个，一个叫作监听 Socket，一个叫作已连接 Socket。
连接建立完成，就通过一写一读的模式进行处理数据。

Socket 在 Linux 中就是以文件的形式存在的。除此之外，还存在文件描述符。写入和读出，也是通过文件描述符。
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基于 UDP 协议的 Socket 程序函数调用过程

UDP因为不需要进行连接，所以只需要端口和IP使用senddtp就可以发送数据，recvfrom接收数据。
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服务器如何接更多的项目？

因为上面的方式其实就是一个客户端对应一个服务端的模式，但是对于高性能、高并发系统来说，其实都是需要一个服务端进行同时处理上千上万的客户端请求处理，所以这种方式不可以，那么服务端最大TCP连接数其实是受到文件描述符限制 也就是ulimit 文件描述符的数目，另一个就是内存，每个TCP连接都要占用一定的内存，硬件资源也是有限制的。

多进程方式

一种方式就是有一个专门处理连接+转发任务的进程，但是当有新的客户端请求进来的时候，这个主进程会fork新的进程进行处理客户端的请求，因为是通过frok的形式，所以会复制文件描述符的列表，也会复制内存空间。所以子进程也可以访问内核态统一打开文件列表的文件，当子进程处理完毕之后，就可以通过函数的返回值进行判断。如果是整数就是父进程，如果是0就是子进程。

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多线程方式

线程相比进程暂用的资源更少，但是对于C10K问题来说，其实还有有点捉襟见肘。

IO 多路复用

select模式
由于socket是文件描述符，所以可以通过一个线程进行所有的文件描述符，将所有的文件描述符放在一起，fd_set中，会实时监听，那些文件描述符有变化，当发生变化的时候就将fd_set设置为1，表示socket可读或者可写，然后继续调用select进行监听下一轮的变化。

epollo
因为监听这种方式需要遍历所有的文件描述符，并且有最大数据限制。
所以最好的方式是那个文件描述符有变化，进行主动通知的方式，在内核的实现方式不是通过轮训的方式，而是通过注册callback函数的方式，当某个文件描述符发送变化的时候，主动通知。
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比如创建了m n x三个socket。那么会先创建一个epoll对象，也就是一个文件描述符，对应结构其实就是一个红黑树，保存所有这个监听所有的socket。当添加一个socket的时候，其实就是加入这个红黑树，红黑树的节点指向这个结构，将这个结构挂在被监听的socket事件列表中，当一个socket来了一个事件的时候，就可以从列表中获取epoll对象，并调用call back进行回调。
epoll 被称为解决 C10K 问题的利器