Linux的Socket开发概述

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于 2024-07-01 22:15:32 首次发布

Socket概述

什么是Socket连接？ Socket是应用层与TCP/IP协议簇通信的中间软件抽象层，它是一组接口。

我们应用层进行网络开发时，并不需要open来打开一个网络文件描述符，甚至，网络设备都不是一个/dev下的设备。我们通过socket机制来获取连接的套接字，然后使用发送接收等函数来发送和接收数据，也可以使用close来关闭已建立连接的套接字。

那么问题来了，linux中的socket是在哪里实现的呢？

Socket在操作系统的传输层和应用层之间实现，在具体实现中就是应用层与TCP/IP协议栈之间。

Socket，即套接字，是一个通信链的句柄，用于描述IP地址和端口，是一个通信的链的句柄。在OSI七层模型中，它位于应用层和传输层之间的抽象层，为两台机器上的应用程序提供数据通信的手段。

在网络编程中，Socket是一个重要的概念，它提供了一种发送和接收数据的机制。Socket通常与TCP/IP协议一起使用，但也可以与其他协议（如UDP）一起使用。TCP/IP协议族是一个四层协议系统，包括链路层、网络层、运输层和应用层。而Socket则位于运输层和应用层之间，作为一个抽象层，为应用程序提供了通过网络进行数据传输的能力。

具体来说，当应用程序需要通过网络发送或接收数据时，它会调用Socket接口。Socket接口会将数据封装成符合网络协议标准的数据包，并通过运输层（如TCP或UDP）发送到网络上。在接收端，Socket接口会从网络上接收数据包，并将其解封装，然后传递给应用程序。

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。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）。

说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。

总的来说，Socket是在操作系统的传输层和应用层之间实现的，它为应用程序提供了通过网络进行数据传输的能力。

套接字（socket）是 Linux 下的一种进程间通信机制（socket IPC），在前面的内容中已经给大家提到过，使用 socket IPC 可以使得在不同主机上的应用程序之间进行通信（网络通信），当然也可以是同一台主机上的不同应用程序。socket IPC 通常使用客户端<--->服务器这种模式完成通信，多个客户端可以同时连接到服务器中，与服务器之间完成数据交互。

内核向应用层提供了 socket 接口，对于应用程序开发人员来说，我们只需要调用 socket 接口开发自己的应用程序即可！socket 是应用层与 TCP/IP 协议通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，socket 其实就是一个门面模式，它把复杂的 TCP/IP 协议隐藏在 socket 接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让 socket 去组织数据，以符合指定的协议。所以，我们无需深入的去理解 tcp/udp 等各种复杂的 TCP/IP 协议，socket 已经为我们封装好了，我们只需要遵循 socket 的规定去编程，写出的程序自然遵循 tcp/udp 标准的。

当前网络中的主流程序设计都是使用 socket 进行编程的，因为它简单易用，它还是一个标准（BSD socket），能在不同平台很方便移植，比如你的一个应用程序是基于 socket 接口编写的，那么它可以移植到任何实现 BSD socket 标准的平台，譬如 LwIP，它兼容 BSD Socket；又譬如 Windows，它也实现了一套基于socket 的套接字接口，更甚至在国产操作系统中，如 RT-Thread，它也实现了 BSD socket 标准的 socket 接口。

BSD套接字是最早在1983年随着BSD操作系统发布的套接字接口的名称。后来，这个接口被整合到了POSIX规范中，并增加了一些更详细的操作规范。除了术语不同以外，可以认为没有任何区别。BSD套接字涵盖了随着BSD操作系统发布的API，而POSIX标准适用于任何希望符合POSIX的操作系统。

可参考：

具体了解该套接字，可参考：

伯克利套接字（BSD Socket）-优快云博客

操作系统可以不实现socket吗？

操作系统可以不实现Socket，但这样做会限制网络通信的灵活性和可移植性。Socket作为网络编程接口，在操作系统中扮演着重要角色，但并非不可或缺。以下将详细分析操作系统可以不实现Socket的原因：

Socket的作用与替代方案

Socket的定义：Socket是应用层与传输层之间的一个抽象层，它隐藏了复杂的网络通信细节，为应用程序提供了一组简单的API来进行网络通信。

替代方案：如果操作系统不提供Socket，应用程序开发者需要自己实现一套网络通信机制，或者使用其他形式的IPC（进程间通信）机制，如消息队列、共享内存等。

操作系统的网络功能

网络驱动与协议栈：即使没有Socket，操作系统仍然需要实现网络驱动程序和TCP/IP协议栈来支持网络通信。

用户空间网络库：在用户空间，可以使用第三方网络库来实现网络通信功能，这些库可能不依赖于操作系统提供的Socket接口。

Socket的普遍性与标准化

广泛采用：Socket接口因其标准化和跨平台的特性而被广泛采用，大多数现代操作系统都实现了Socket。

兼容性问题：不实现Socket可能导致应用程序兼容性问题，因为许多网络应用程序和服务都是基于Socket开发的。

性能与安全性考虑

绕过内核：有些高性能网络应用可能会选择绕过操作系统的Socket接口，直接与硬件交互，以提高性能。

安全风险：直接操作网络硬件可能会带来安全风险，因为这样可能会绕过操作系统的安全机制。

特定场景的应用

嵌入式系统：在资源受限的嵌入式系统中，可能会选择不实现完整的Socket接口，而是提供更轻量级的网络通信方式。

实时操作系统：实时操作系统可能会为了响应时间的最优化，而不实现标准的Socket接口。

开发复杂性与成本

开发难度：不实现Socket意味着开发者需要处理更多的网络通信细节，增加了开发难度。

维护成本：自定义的网络通信机制可能需要更多的维护工作，尤其是在面对网络协议更新时。

生态系统与社区支持

社区资源：Socket接口有大量的文档、教程和社区支持，不使用Socket可能会失去这些资源。

第三方服务：许多第三方服务和库都是基于Socket设计的，不实现Socket可能会导致无法使用这些服务。

总的来说，虽然操作系统可以不实现Socket，但这样做会增加应用程序开发的复杂性，降低网络通信的灵活性和可移植性。Socket作为一种成熟的网络编程接口，已经被广泛接受和使用，它的存在大大简化了网络编程的难度。因此，除非有特殊的性能或安全需求，否则操作系统通常会实现Socket接口。

所谓的客户端和服务端，其实就是两个应用程序，或者说两段程序，他们之间可以在一台机器上，也可以不在一台机器上，如果在同一台机器上，就通过本地socket通信，如果不在同一台机器上，就通过远端socket通信，甚至可以不通过网络通信，而是通过任意其他方式通信。通常是请求服务的一侧被叫做客户端，提供服务的那一侧被叫做服务端。

建立连接相关API

socket()函数

socket()函数原型如下所示：
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
socket()函数类似于 open()函数，它用于创建一个网络通信端点（打开一个网络通信），如果成功则返回一个网络文件描述符，通常把这个文件描述符称为 socket 描述符（socket descriptor），这个 socket 描述符跟文件描述符一样，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。

我们可以不用管文件描述符怎么来的，只要知道文件描述符能和设备唯一对应和关联起来就行。

该函数包括 3 个参数，如下所示：

domain

参数 domain 用于指定一个通信域；这将选择将用于通信的协议族。可选的协议族如下表所示：

对于 TCP/IP 协议来说，通常选择 AF_INET 就可以了，当然如果你的 IP 协议的版本支持 IPv6，那么可以选择 AF_INET6。

type

参数 type 指定套接字的类型，当前支持的类型有：

protocol

即协议类别，表示为给定的通信域和套接字类型选择默认协议，一般设置为0即可，因为该函数会通过前两个参数自动推导出第三个参数的协议类别。

调用 socket()与调用 open()函数很类似，调用成功情况下，均会返回用于文件 I/O 的文件描述符，只不过对于 socket()来说，其返回的文件描述符一般称为 socket 描述符。当不再需要该文件描述符时，可调用close()函数来关闭套接字，释放相应的资源。

如果 socket()函数调用失败，则会返回-1，并且会设置 errno 变量以指示错误类型。

使用示例
int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//打开套接字
if (0 > socket_fd) {
    perror("socket error");
    exit(-1);
}
......
......
close(socket_fd); //关闭套接字
注意，初始时，客户端和服务器都需要调用socket，来指定使用的协议族和socket类型。

SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM，怎么记忆呢？

SOCK_STREAM里有个T，可以联想为TCP，SOCK_DGRAM里面有个D，可以联想为UDP。

Linux中的socket网络文件描述符也属于文件描述符。

在Linux操作系统中，一切皆可以看成是文件，包括socket连接。文件描述符（file descriptor）是内核为了高效管理已被打开的文件所创建的索引，它是一个非负整数，用于指代被打开的文件或套接字。每个进程都有一个文件描述符表，用来管理当前进程打开的文件和套接字。标准输入、标准输出和标准错误的文件描述符分别是0、1和2，而大于等于3的文件描述符通常用来表示其他文件或套接字。

为什么网络设备不像字符设备一样用open打开？

二者的设计理念是不一样的，这源于网络设备的复杂性。

网络设备通常不使用open系统调用来操作，而是通过专门的网络编程接口和协议栈进行通信。

应用程序通过套接字（Socket）接口与网络进行通信。套接字提供了一种抽象机制，使得应用程序可以像读写普通文件一样进行网络通信。

在Unix-like系统中，网络设备通常不表现为传统的设备文件（如/dev/下的字符设备或块设备），因此不会使用open来打开。

网络协议栈将网络通信分为多个层次，每一层都使用不同的协议和技术。这种分层结构使得网络通信更加高效和可靠。

操作系统通过套接字接口和网络协议栈实施严格的访问控制，确保只有授权的应用程序才能进行网络通信。

网络编程接口和协议栈是跨平台的标准，确保不同操作系统上的应用程序可以进行一致的网络通信。

网络协议栈经过优化，以提供高效的数据传输。直接使用open可能无法充分利用这些优化。

网络协议栈提供了丰富的错误处理机制，可以帮助开发者诊断和解决网络问题。

网络协议栈存在多种网络调试工具，如Wireshark、tcpdump等，这些工具依赖于标准的网络协议栈，而不是简单的文件操作。

总的来说，网络设备不使用open系统调用来操作，是因为网络通信需要更复杂的接口和协议支持，而这些是由网络编程接口和协议栈提供的。直接使用open无法满足网络通信的需求，也无法保证通信的安全性和效率。

网络设备及其描述符

每个字符设备在/dev目录下对应一个设备文件，linux用户程序通过设备文件（或称设备节点）来使用驱动程序操作字符设备。

每个块设备在/dev目录下对应一个设备文件，linux用户程序通过设备文件（或称设备节点）来使用驱动程序操作块设备。

/dev 中放的都是字符设备和块设备，而网络设备并不属于此二类，无法实现它们的接口。

参考网络设备驱动

【Linux驱动】网络设备驱动介绍_dev下有网卡设备吗-优快云博客

（1）网络设备：软件层面的，如操作系统中看到的eth0（以太网）、wlan0（无线网）等。

（2）物理网卡：真正的硬件网卡设备。

（3）/dev下没有设备文件，也不通过/sys下的属性文件访问。直观看来，应用层都是通过一些特殊的命令（如ifconfig、ping等）来访问网卡硬件（调用驱动）的。

（4）面向报文而不是面向流的，因此将网络接口映射到文件系统的节点比较困难。

（5）struct net_device来管理所有网络接口。

！！！！！！！！！注意网络设备的描述符；

我们知道，不管是打开字符设备还是块设备还

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