02-何谓 Socket‎ > ‎

2.1. 两种 Internet Sockets

这是什麽?有两种 Internet sockets 吗?

是的,喔不,我骗你的啦。其实有更多种 Internet sockets,只是我不想吓唬你。所以这里我只打算讨论两种,不过我还会告诉你"Raw Sockets",这是很强大的东西,所以你应该要好好研究一下它们。

译注:
一般的 socket 只能读取 transport layer 传输层以上[不含]的数据,raw socket 一般用在设计 network sniffer,可以让应用程序取得网路数据包底层的数据[如 TCP 层丶IP 层,甚至 link layer socket 可以读取到 link layer 层],并用以分析数据包。这份教程不会谈到这类的编程,有兴趣的读者可自行参考:Unix Network Programming Vol. 1TCP/IP 网路程式实验与设计 libpcap

好吧,不聊了。那到底是有哪两种 Internet sockets 呢?

其中一个是"Stream Sockets"(串流式 Sockets);而另一个是"Datagram Sockets"(讯息式 Sockets),之後我们分别以"SOCK_STREAM"与"SOCK_DGRAM"来表示。Datagram sockets 有时称为"无连接的 sockets"(connectionless sockets)(虽然它们也可以用 connect(),如果你想这麽做的话,请见後面章节的 connect())。

Stream sockets 是可靠的丶双向连接的通讯串流。若你以"1丶2"的顺序将两个项目输出到 socket,它们在另一端则会以"1丶2"的顺序抵达。而且不会出错。

哪里会用到 stream sockets 呢?

好的,你应该听过 telnet 软件吧,不是吗?它就是用 stream sockets。你所输入的每个字都需要按照你所输入的顺序抵达,有吗?网页浏览器所使用的 HTTP 协议也是用 stream sockets 取得网页。的确,若你以 port 80 telnet 到一个网站,并输入"GET / HTTP/1.0",然後按两下 Enter,它就会输出 HTML 给你!

Stream sockets 是如何达成如此高品质的数据传送呢?

它们用所谓的"The Transmission Control Protocol"(传输控制协议),就是常见的"TCP"(TCP 的全部细节请参考 RFC 793[6])。TCP 保证你的数据可以依序抵达而且不会出错。你以前可能听过"TCP"是"TCP/IP"比较优的部分,这边的"IP"是指"Internet Protocol"(互联网协议,请见 RFC 791[7])。IP 主要处理 Internet routing(互联网路由),通常不保障数据的完整性。

酷喔。那 Datagram socket 呢?为什麽它们号称无连接呢?这边有什麽好主意?为什麽它们是不可靠的?

好,这里说明一下现况:如果你送出一个 datagram(信息数据包),它可能会顺利到达丶可能不会按照顺序到达,而如果它到达了,数据包的数据就是正确的。

译注:
TCP 会在传输层对将上层送来的过大数据分割成多个 TCP 段(TCP segments),而 UDP 本身不会,UDP 是信息导向的(message oriented),若 UDP 信息过大时(整体数据包长度超过 MTU),则会由 host 或 router 在 IP 层对数据包进行分割,将一个 IP packet 分割成多个 IP fragments。IP fragmention 的缺点是,到达端的系统需要做 IP 数据包的重组,将多个 fragments 重组合并为原本的 IP 数据包,同时也会增加数据包遗失的可能性。如将一个 IP packet 分割成多个 IP fragments,只要其中一个 IP fragment 遗失了,到达端就会无法顺利重组 IP 数据包,因而造成数据包的遗失,若是高可靠度的应用,则上层协议需重送整个 packet 的数据。

[6] http://tools.ietf.org/html/rfc793
[7] http://tools.ietf.org/html/rfc791

Datagram sockets 也使用 IP 进行 routing(路由),不过它们不用 TCP;而是用"UDP,User Datagram Protocol"(用户数据包协议,请见 RFC 768 [8])。

为什麽它们是无连接的?

好,基本上,这跟你在使用 stream socket 时不同,你不用维护一个开启的连接,你只需打造数据包丶给它一个 IP header 与目的资料丶送出,不需要连接。通常用 datagram socket 的时机是在没有可用的 TCP stack 时;或者当一些数据包遗失不会造成什麽重大事故时。这类应用程序的例子有:tftp(trivial file transfer protocol,简易文件传输协议,是 FTP 的小兄弟),多人游戏丶串流音乐丶影像会议等。

"等一下!tftp 和 dhcpd 是用来在一台主机与另一台之间传输二进制的应用数据!你如果想要应用程序能在数据抵达时正常运作,那数据就不能遗失阿!这是什麽黑魔法?"

好,我的人类朋友,tftp 与类似的程序会在 UDP 的上层使用它们自己的协议。比如:tftp 协议会报告每个收送的数据包,到达端必须送回一个数据包表示:"我收到了!"[一个 "ACK"数据包]。若原本数据包的传送端在五秒内没有收到回应,这表示它该重送这个数据包,直到收到 ACK 为止。在实作可靠的 SOCK_DGRAM 应用程序时,这个回报的过程很重要。

对於无需可靠度的(unreliable)应用程序,如游戏丶音效丶或影像,你只需忽略遗失的数据包,或也许能试着用技巧弥补回来。(雷神之锤的玩家都知道的一个技术名词的影响:accursed lag。在这个例子中,"accursed"(受到诅咒)这个字代表各种低级的意思)。

为什麽你要用一个不可靠的底层协议?

有两个理由:第一个理由是速度,第二个理由还是速度。忘了这个数据包是比较快的方式,相较之下,持续追踪全部的数据包否安全抵达,并确保依序抵达是比较慢的。如果你想要传送聊天讯息,TCP 很好;不过如果你想要替全世界的玩家,每秒送出 40 个位置更新的数据,且若遗失一到两个数据包并不会有太大的影响时,此时 UDP 是一个好的选择。

[8] http://tools.ietf.org/html/rfc768

译注:
stream(串流式)socket 是指应用程序要传输的数据就如水流(串流)在水管中传输一般,经由这个 stream socket 流向目的,串流式 socket 是数据会由传输层负责处理遗失丶依序送达等工作,以在传输层确保应用程序所送出的数据能够可靠且依序抵达,而应用程序若对数据有可靠与依序的需求时,使用 stream socket 就不用自行处理这类的工作。

datagram(信息式)socket 是基於讯息导向的方式传送数据,应用程序送出的每笔数据会如平信的概念送出,由於遶送数据包的路径可能会随着网路条件而改变,每笔数据抵达的顺序不一定会按照送出的顺序抵达,并且如平信般,信件可能在递送过程遗失,而寄件人并无法知道是否递送成功。

初步简单知道应用这两种 sockets 的时机:当需要数据能完整送达目地时,就使用 stream socket,若是部分数据遗失也无妨时,就可以使用 datagram socket。
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