交互過程如下圖所示：

套接字如何創(chuàng)建的

協(xié)議棧內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如上圖所示，整個(gè)請求交互過程分為了幾個(gè)部分，首先最上層就是應(yīng)用程序，接著往下是 Socket 庫。

再下面就是操作系統(tǒng)的內(nèi)部了，這里面就包括了協(xié)議棧,協(xié)議棧上半部分為 TCP 和 UDP ,它們都是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

只是一個(gè)需要 連接，一個(gè)不需要連接可以直接收發(fā)數(shù)據(jù)，這兩者的詳細(xì)區(qū)別我會在后期文章單獨(dú)講解，這里大家先了解下就行。

協(xié)議棧的下半部分是 IP 協(xié)議，用來真正將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)包進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)傳送的媒介。

IP 下面就是網(wǎng)卡驅(qū)動程序，用來控制網(wǎng)卡硬件。

認(rèn)識套接字

在協(xié)議棧內(nèi)部有一塊用來存放控制信息的內(nèi)存空間，這里面記錄了需要連接的對象 IP 地址、端口號、進(jìn)行狀態(tài)等信息。

而套接字本身其實(shí)只是一個(gè)概念，實(shí)際并沒有這樣一個(gè)東西，這個(gè)概念如果非要賦予它一個(gè)實(shí)體，那控制信息可以認(rèn)為就是它的實(shí)體。

在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，我們需要看下套接字要進(jìn)行連接的對象 IP 地址和端口號；發(fā)送數(shù)據(jù)之后，套接字里面會記錄發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過了多長時(shí)間，如果發(fā)送收到響應(yīng)，也會進(jìn)行記錄。

我們來實(shí)際看下 套接字 都有哪些信息，可以在你電腦的控制臺輸入 netstat 命令進(jìn)行查詢：

• Proto: 表示協(xié)議類型。這里是 tcp ,如果用到了 udp 就會顯示為 udp。
• Local Address : 本機(jī)的 IP 地址。
• Foreign Address : 通信對象的 IP 地址
• state : 通信狀態(tài)。ESTABLISHED 表示完成連接 ，CLOSE_WAIT 表示等待關(guān)閉,還有一個(gè)狀態(tài)也很常見，LISTENING：等待對方連接。

當(dāng)瀏覽器通過 Socket 庫向協(xié)議棧發(fā)出 socket 調(diào)用時(shí)，協(xié)議棧就會根據(jù)申請執(zhí)行創(chuàng)建套接字的操作。

協(xié)議棧首先會分配一個(gè)存放套接字的內(nèi)存空間，然后往里面存入控制信息，這樣套接字就創(chuàng)建好了。

連接服務(wù)器

創(chuàng)建好套接字后，瀏覽器會調(diào)用 connect ，協(xié)議棧就會將本地的套接字和服務(wù)器的套接字進(jìn)行連接。

連接就是通信雙方互相交換控制信息，連接操作所交換的控制信息是根據(jù)通信規(guī)則來確定的，只要雙方根據(jù)規(guī)則進(jìn)行連接，就能建立起連接關(guān)系，完成數(shù)據(jù)收發(fā)的準(zhǔn)備。

控制信息

控制信息一般可以分為兩類，一類是客戶端和服務(wù)器相互聯(lián)系時(shí)交換的控制信息，這個(gè)信息是兩者建立連接、數(shù)據(jù)收發(fā)、斷開連接整個(gè)通信過程都需要的信息。

一般這些內(nèi)容是通過 TCP 協(xié)議進(jìn)行定義的。這些信息會被添加進(jìn)網(wǎng)絡(luò)包的開頭，因此也叫作頭部，以太網(wǎng)和 IP 協(xié)議也有自己的控制信息，這個(gè)信息也叫頭部，為了進(jìn)行區(qū)分，我們分別叫作 TCP 頭部、以太網(wǎng)頭部、IP 頭部。

這里羅列了部分 TCP 頭部的信息，僅供參考。

控制信息還有一類，是保存在套接字里的，應(yīng)用程序傳遞的信息和從通信對象接受的信息都會保存在這里，以及數(shù)據(jù)收發(fā)操作的執(zhí)行狀態(tài)也會在這里面。

連接操作的實(shí)際過程

連接操作的第一步就是在 TCP 模塊處創(chuàng)建表示連接控制信息的頭部。當(dāng) TCP 頭部創(chuàng)建好后，TCP 模塊會將信息傳遞給 IP 模塊委托其進(jìn)行發(fā)送。

IP 執(zhí)行發(fā)送后，網(wǎng)絡(luò)包會通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)服務(wù)器，服務(wù)器上的 IP 模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給 TCP 模塊，TCP 模塊根據(jù)頭部信息找到對應(yīng)的套接字，套接字中會寫入相應(yīng)的信息，然后將狀態(tài)改為正在連接。

于此同時(shí)，在返回響應(yīng)時(shí)，會將 ACK 控制位設(shè)為 1，代表已接收到網(wǎng)絡(luò)包。服務(wù)器 TCP 模塊會將響應(yīng)消息通過 IP 模塊向客戶端做出響應(yīng)。

客戶端接收到響應(yīng)后，其 IP 模塊將信息傳遞給 TCP 模塊，然后通過 TCP 頭部信息確認(rèn)連接是否成功，SYN 等于 1 就代表成功，客戶端還會將 ACK 設(shè)置為1 并發(fā)回給服務(wù)器，服務(wù)器收到這個(gè)包后才算連接操作真正的完成。

建立連接后，就可以隨時(shí)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)了，在調(diào)用 close 之前，連接會一直存在。

收發(fā)數(shù)據(jù)

收發(fā)數(shù)據(jù)的觸發(fā)操作是應(yīng)用程序發(fā)起的，通過調(diào)研 write，指定發(fā)送數(shù)據(jù)的長度。

一般當(dāng)協(xié)議棧接受到數(shù)據(jù)時(shí)可能并不會馬上發(fā)出去，而是放在發(fā)送緩沖區(qū)中，為什么要這樣做呢？

有些程序可能一次性會傳所有數(shù)據(jù)，但有些程序會逐行傳遞，在這種情況下，如果收到數(shù)據(jù)就發(fā)送，可能會造成發(fā)送大量小包數(shù)據(jù)，導(dǎo)致效率低下。

至于需要積累多少數(shù)據(jù)才發(fā)送一般是根據(jù)兩方面因素來考量，一個(gè)是每個(gè)網(wǎng)絡(luò)包的數(shù)據(jù)長度，還有一個(gè)緯度是處理時(shí)間。

網(wǎng)絡(luò)包容納的數(shù)據(jù)長度

首先介紹下兩個(gè)名詞：

MTU: 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包的最大長度，以太網(wǎng)中一般是1500字節(jié)，是包含頭部的總長度。

MSS: 除去頭部后，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包所有容納的數(shù)據(jù)最大長度。

處理時(shí)間

當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率不高時(shí)，如果每次都需要等到長度達(dá)到 MSS 才發(fā)送，就會造成等待時(shí)間過長。

為了解決這種情況，協(xié)議棧會有一個(gè)計(jì)時(shí)器，如果達(dá)到一定時(shí)間，即使還遠(yuǎn)未達(dá)到 MSS 長度，也會把網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送出去。

ACK 機(jī)制確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)包接收情況

當(dāng)客戶端向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TCP會將數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)算好寫在 TCP 頭部，同時(shí)會生成一個(gè)隨機(jī)數(shù) 當(dāng)作 ACK 一并發(fā)送給服務(wù)端，服務(wù)端接受后就會根據(jù)實(shí)際收到的長度和TCP頭部給的長度做對比，來確保數(shù)據(jù)沒有遺漏。

同時(shí)客戶端還需要告知服務(wù)端是從哪個(gè)字節(jié)開始發(fā)送的，而我們的 ACK是個(gè)隨機(jī)值，這時(shí)候我們就需要通過 SYN 控制位設(shè)置為1發(fā)送給服務(wù)器，這樣服務(wù)器就知道其初始是從哪個(gè)字節(jié)開始發(fā)送的。

接受方收到數(shù)據(jù)后，如果數(shù)據(jù)沒問題，就需要告知發(fā)送方收到了多少數(shù)據(jù)，也是通過 ACK 號的操作來返回的，這個(gè) ACK 的值就是一共接收了多少字節(jié)。

通過這種機(jī)制，我們就可以確認(rèn)接收方是否正確收到數(shù)據(jù)，如果沒有準(zhǔn)確收到，就可以重新發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包。

無論網(wǎng)絡(luò)發(fā)生何種錯(cuò)誤，我們就都可以發(fā)現(xiàn)并采取補(bǔ)救措施。

窗口滑動

一般如果我們每發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包就等待 ACK 返回確認(rèn)后再發(fā)送下一個(gè)包，這個(gè)等待 ACK 的時(shí)間啥都不做就會很浪費(fèi)。

窗口滑動的概念就是每次發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包，不會等 ACK 返回就會繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)包，減少等待時(shí)間的浪費(fèi)。

但這種方式也會存在問題，假如發(fā)送方不斷發(fā)送數(shù)據(jù)給接收方，接收方第一個(gè)數(shù)據(jù)還沒處理完，第二個(gè)數(shù)據(jù)就來了，這些來不及處理的數(shù)據(jù)會進(jìn)入接收緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)會不斷增多，就會造成溢出。避免這種方式的處理是通過接收方告知發(fā)送方自己最大能接收多少數(shù)據(jù)，發(fā)送方會根據(jù)這個(gè)值對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。

刪除套接字

當(dāng)我們數(shù)據(jù)收發(fā)完成后，就會啟動斷開機(jī)制，以 Web 為例，收發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)，服務(wù)器會發(fā)起斷開過程，會調(diào)用 Socket 庫的 close 程序，服務(wù)器協(xié)議棧會生成一個(gè)包含斷開信息的 TCP 頭部，就是將 FIN 比特設(shè)置為1。協(xié)議棧會委托 IP 模塊向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)客戶端接收到 FIN 為 1 的 TCP 頭部時(shí)，客戶端協(xié)議棧會將自己的套接字標(biāo)記為進(jìn)入斷開操作狀態(tài)，然后告知服務(wù)器已經(jīng)收到 FIN 為 1的包，客戶端會向服務(wù)器返回一個(gè) ACK 號。

UDP 協(xié)議收發(fā)操作

之前我們都是以 TCP 協(xié)議講解的數(shù)據(jù)收發(fā)操作，可以看出整個(gè)流程下來其實(shí)是挺復(fù)雜的，但是有時(shí)候可能我們并不需要這么復(fù)雜的安全校驗(yàn)，UDP 就可以滿足一些簡單的數(shù)據(jù)收發(fā)。例如像我們之前提到的 向 DNS 服務(wù)器查詢 IP 地址，我們就是用的 UDP 協(xié)議。

UDP 沒有 TCP 的接收確認(rèn)、窗口等機(jī)制，在收發(fā)數(shù)據(jù)之前是不需要進(jìn)行交換控制信息，不需要進(jìn)行連接操作。

接收數(shù)據(jù)也很簡單，只需要根據(jù) IP 頭部中的接收方和發(fā)送方 IP 地址，以及 UDP 頭部中的接收方和發(fā)送方端口號，找到對應(yīng)的套接字然后將數(shù)據(jù)交給相應(yīng)的應(yīng)用程序即可。