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【Linux】Linux内核的网络协议之socket理解

java 2025/5/13 9:39:07

1. Socket（套接字）的本质

它是应用程序与网络协议栈之间的编程接口（API），用于实现网络通信。
Socket 并不是一个物理设备，而是一个抽象层
为应用程序提供统一的网络操作接口（如 send()、recv()、bind()、connect() 等）。
屏蔽底层协议（TCP、UDP、IP 等）的复杂性，让开发者更专注于业务逻辑。
在 Linux 内核中，Socket 是一个文件描述符（File Descriptor, fd），遵循“一切皆文件”的设计哲学。

2. Socket 在网络协议栈中的位置

Linux 网络协议栈的分层如下：

+-----------------------+
|   Application Layer   |  (e.g., HTTP, FTP, SSH)
+-----------------------+
|        Socket         |  ← 应用程序与内核的接口
+-----------------------+
|   Transport Layer     |  (TCP/UDP)
+-----------------------+
|    Network Layer      |  (IP, ICMP)
+-----------------------+
|   Link Layer (MAC)    |  (Ethernet, ARP)
+-----------------------+
|   Physical Layer      |  (网卡驱动、硬件)
+-----------------------+

Socket 的作用就是连接“应用程序”和“传输层”（TCP/UDP）。

3. Socket 的类型

Linux 支持多种 Socket，常见的有：

Socket 类型	协议	特点
SOCK_STREAM	TCP	可靠、面向连接、字节流传输
SOCK_DGRAM	UDP	不可靠、无连接、数据报传输
SOCK_RAW	原始 IP	直接访问 IP 层（如 ping）

4. Socket 的工作流程（以 TCP 为例）

服务器端（Server）

socket() – 创建一个 Socket（返回 fd）。
bind() – 绑定 IP 和端口。
listen() – 监听客户端连接。
accept() – 接受客户端连接（返回新 fd）。
read()/write() – 与客户端通信。
close() – 关闭连接。

客户端（Client）

socket() – 创建 Socket。
connect() – 连接服务器。
write()/read() – 发送/接收数据。
close() – 关闭连接。

5. Socket 在内核中的实现

Linux 内核用 struct socket 表示一个 Socket，关键数据结构：

// 表示一个 Socket（内核层面）
struct socket {struct sock     *sk;       // 指向 sock（存储协议状态）const struct proto_ops *ops; // 协议操作（TCP/UDP）// ...
};// 存储协议状态（TCP/UDP 连接信息）
struct sock {struct inet_sock    inet;   // IP 和端口信息struct sk_buff_head receive_queue; // 接收队列（存放数据包）// ...
};

sk_buff（Socket Buffer）：内核用这个结构管理网络数据包。
proto_ops：定义协议操作（如 TCP 的 connect、sendmsg 等）。

6. Socket 与文件描述符（fd）的关系

当调用 socket() 时，内核会：
1. 创建一个 struct socket 结构。
2. 分配一个文件描述符（fd），并关联到该 Socket。
之后，应用程序可以用 read(fd, ...)、write(fd, ...) 等文件操作函数进行网络通信。

示例：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建 TCP Socket
write(sockfd, "Hello", 5); // 发送数据（类似写文件）
close(sockfd); // 关闭 Socket（类似关闭文件）

7. 如何查看 Linux 中的 Socket？

（1）`ss` 命令（推荐）

ss -tulnp  # 查看所有 TCP/UDP Socket

-t：TCP
-u：UDP
-l：监听中的 Socket
-n：不解析服务名（直接显示端口号）
-p：显示进程信息

（2）`netstat` 命令（较旧）

netstat -tulnp

（3）`/proc/net/tcp` 和 `/proc/net/udp`

cat /proc/net/tcp  # 查看内核中的 TCP Socket 状态
cat /proc/net/udp  # 查看 UDP Socket

8. 常见问题

Q1: Socket 和文件描述符（fd）有什么区别？

Socket 是网络通信的抽象，属于内核对象。
文件描述符（fd） 是用户空间访问 Socket 的句柄（整数）。

Q2: 一个进程可以有多少个 Socket？

取决于 ulimit -n（文件描述符限制），默认通常是 1024，但可以调整。

Q3: Socket 和 TCP/UDP 是什么关系？

Socket 是接口，TCP/UDP 是协议。
SOCK_STREAM → TCP
SOCK_DGRAM → UDP

总结

概念	说明
Socket	应用程序与网络协议栈之间的接口，用文件描述符（fd）表示。
TCP Socket	可靠、面向连接（`SOCK_STREAM`）。
UDP Socket	不可靠、无连接（`SOCK_DGRAM`）。
内核实现	通过 `struct socket` 和 `struct sock` 管理连接状态和数据包。