Socket 通信机制详解
Socket 通信机制详解
Socket是网络编程中一种重要的通信机制，它允许不同的计算机通过网络进行数据交换。本文将从Socket的基本概念、类型、工作原理等方面进行详细讲解，并通过Java和Python代码示例进一步说明Socket的使用方法。
Socket 的概念
Socket（套接字）是计算机网络编程中的一种抽象，它提供了在网络上进行通信的接口。
Socket本质上是一种通信的端点，它在网络上标识了一个通信链路的两端，并提供了通信双方所需的接口和功能。
通过使用Socket，可以在不同计算机之间建立连接，并进行数据的传输和交换（网络通信）。
Socket 类型
在Socket编程中，常见的两种类型是TCP Socket和UDP Socket。
TCP Socket：TCP（传输控制协议）是一种面向连接的协议，它提供可靠的、有序的数据传输。TCP Socket基于TCP协议，使用三次握手建立连接，确保数据的可靠性和顺序性。
UDP Socket：UDP（用户数据报协议）是一种无连接的协议，它提供了简单的数据传输服务，但不保证数据的可靠性和顺序性。UDP Socket基于UDP协议，无需建立连接，适用于一些实时性要求高、允许一定数据丢失的应用场景。
Socket 的工作原理
三次握手
这里需要先讲一下TCP协议中的三次握手。
同步序号：SYN 确认字段：ACK 随机数据：seq
规定：
当SYN=1,ACK=0表示连接请求
当SYN=1,ACK=1表示同意建立连接
如上图，纵向的轴，是一个时间轴。
第一次握手：时间点1，客户端向服务端发送连接请求报文段。ACK=0,SYN=1,seq=x
将SYN位置为1，Sequence Number为x;然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认;
第二次握手：服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgment Number为x+1(Sequence Number+1);同时，自己自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y;服务器端将上述所有信息放到一个报文段(即SYN+ACK报文段)中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态;
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Acknowledgment Number设置为y+1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。
完成了三次握手，客户端和服务器端就可以开始传送数据。
TCP/IP 三次握手：
创建Socket与TCP/IP三次握手有什么关系：
在TCP协议中，建立连接通常需要进行三次握手，而创建Socket对象通常是在握手之前的准备工作之一。用于准备建立连接所需的资源和信息。（创建一个套接字，收集一些计算机的资源，将一些资源绑定套接字里面，以及接受和发送数据的函数等等，这些功能接口在一起构成了socket的编程。）
具体来说，在客户端发起连接之前，通常会创建一个Socket对象，然后调用connect方法来发起连接请求；
而在服务器端接受连接之前，通常会创建一个Socket对象，然后调用accept方法来接受连接请求并返回一个新的Socket对象，用于与客户端进行通信。
Socket的工作原理
当客户端和服务端使用Socket进行通信时，它们的工作原理有所不同。
客户端的Socket工作原理：
创建Socket对象：客户端首先会创建一个Socket对象，用于与服务器端建立连接。
连接服务器：客户端通过调用Socket对象的
connect方法来连接服务器。在连接过程中，客户端会发送连接请求给服务器端。发送数据：一旦连接建立成功，客户端就可以通过Socket对象的
send方法向服务器端发送数据。发送的数据通常包括请求信息、参数等。接收数据：客户端通过Socket对象的
recv方法来接收服务器端发送的响应数据。客户端会等待服务器端的响应，并在接收到响应后进行相应的处理。关闭连接：通信结束后，客户端会调用Socket对象的
close方法来关闭连接，并释放资源。
服务端的Socket工作原理：
创建Socket对象：服务器端首先会创建一个Socket对象，用于监听客户端的连接请求。
绑定地址和端口：服务器端会将Socket对象绑定到一个特定的地址和端口上，以便客户端能够连接到该地址和端口。
监听连接：服务器端通过调用Socket对象的
listen方法来开始监听客户端的连接请求。一旦调用了listen方法，服务器就处于等待客户端连接的状态。接受连接：当客户端发起连接请求时，服务器端会调用
accept方法来接受连接。在接受连接之后，服务器端会创建一个新的Socket对象，用于与该客户端进行通信。接收和处理数据：一旦连接建立成功，服务器端就可以通过新创建的Socket对象来接收客户端发送的数据，并进行相应的处理。服务器端会等待客户端发送数据，并在接收到数据后进行解析和处理。
发送数据：服务器端也可以通过Socket对象的
send方法向客户端发送数据。这通常发生在服务器端需要向客户端发送响应或其他信息时。关闭连接：通信结束后，服务器端会调用Socket对象的
close方法来关闭连接，并释放资源。
总的来说，客户端和服务端的Socket工作原理都涉及创建Socket对象、建立连接、发送和接收数据以及关闭连接等步骤，但具体的操作和流程略有不同。客户端主要负责发起连接和发送请求，而服务端主要负责监听连接、接受连接和处理请求。
代码示例
Java代码
客户端代码WebClient
import java.util.Scanner;
public class WebClient {
public static void main(String[] args) {
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
String messageA; // 储存A发送的消息
try {
// 创建 Socket，连接到服务器的 IP 地址和端口
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
System.out.print("输入消息：" + '\t');
messageA = scanner.nextLine();
outputStream.write(messageA.getBytes());
outputStream.flush(); // 刷新缓冲区，确保消息发送给服务器
byte[] buffer = new byte[1024];
int length = inputStream.read(buffer);
String response = new String(buffer, 0, length);
System.out.println("B: " + response);
} catch (IOException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}
客户端代码WebServer
import java.util.Scanner;
public class WebServer {
public static void main(String[] args) {
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
String messageB = ""; // 储存B发送的消息
try {
// 创建 ServerSocket，监听指定的端口
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
System.out.println("服务启动，等待客户端连接... ");
Socket socket = serverSocket.accept();
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
byte[] buffer = new byte[1024];
int length = inputStream.read(buffer);
String message = new String(buffer, 0, length);
System.out.println("A: " + message);
System.out.print("输入消息：" + '\t');
messageB = scanner.nextLine();
outputStream.write(messageB.getBytes());
outputStream.flush(); // 刷新缓冲区，确保消息发送给客户端
} catch (IOException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}
运行结果：
这样我们就实现了基于TCP协议的长连接。
TCP（传输控制协议）是一种可靠的、面向连接的协议，它提供了数据传输的可靠性和顺序性。在TCP长连接中，客户端和服务器之间建立一次连接后，可以持续地在该连接上进行数据传输，直到其中一方显式地关闭连接为止。TCP长连接适合于需要保持持续通信的场景，例如即时通讯、远程控制等。
既然TCP协议的长连接就能实现续通信的场景，为什么还要用WebSocket呢？
尽管TCP协议的长连接可以实现持续通信的场景，但WebSocket协议在某些情况下更适合。
更轻量级的通信开销： WebSocket协议相比于HTTP协议（即基于长连接的HTTP长轮询或者服务器推送技术）具有更轻量级的通信开销。WebSocket在建立连接后，在客户端和服务器之间建立了全双工的通信通道，通过一个简单的握手过程后，数据可以在客户端和服务器之间进行双向实时通信，无需每次都携带HTTP的头部信息，减少了通信的开销。
更低的延迟： WebSocket协议通过在客户端和服务器之间建立长期的双向通信通道，可以实现实时的双向通信，从而降低了通信的延迟。对于需要实时性较高的应用场景，如在线游戏、实时聊天等，WebSocket可以提供更好的用户体验。
更方便的API： WebSocket提供了更简洁、方便的API，使得开发者可以更容易地实现实时通信功能。客户端和服务器端都可以使用相同的编程模型来处理WebSocket连接，简化了开发流程。
更好的跨域支持： WebSocket协议在跨域通信方面具有更好的支持，因为WebSocket握手过程中的HTTP头部信息可以包含跨域资源共享（CORS）的相关信息，使得跨域通信更加方便。
Python代码
服务端代码
import socket
def main():
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('localhost', 8888))
print("服务启动，等待客户端连接... ")
server_socket.listen(1)
client_socket, client_address = server_socket.accept()
print(f"客户端 {client_address} 已连接")
while True:
message = client_socket.recv(1024).decode()
if not message:
break
print(f"收到客户端消息：{message}")
message_b = input("输入消息：")
client_socket.send(message_b.encode())
client_socket.close()
server_socket.close()
if __name__ == "__main__":
main()
客户端代码
import socket
def main():
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(('localhost', 8888))
while True:
message_a = input("输入消息：")
client_socket.send(message_a.encode())
response = client_socket.recv(1024).decode()
if not response:
break
print(f"收到服务器消息：{response}")
client_socket.close()
if __name__ == "__main__":
main()