網路程式設計基礎：Socket 概念、類型與協議關係

Socket 定義

Linux 網路程式設計透過 Socket 介面進行。Socket 是一種特殊的檔案描述符，提供進程間通信 (IPC) 機制。

• 半關聯描述符 (被動/伺服器端)：{協議, 本地地址, 本地埠}
• 全關聯描述符 (主動/連線後)：{協議, 本地地址, 本地埠, 遠端地址, 遠端埠}

Socket API 流程：socket() → bind() → listen() → accept() → read()/write() → close() (TCP 伺服器)

Socket 類型

協議層級關係圖

應用層：HTTP, FTP, SMTP, DNS, SSH
         ↓
傳輸層：TCP (可靠串流)  ◄─── Socket API ───►  應用程式
         ↓                    ↑
         UDP (資料報)        │
         ↓                    │
網路層：IP (路由、分片)     │
         ↓                    │
資料鏈路層：Ethernet, WiFi, PPP
         ↓
物理層：光纖, 雙絞線, 無線電波

Loopback 介面 (127.0.0.1 / ::1)

• 本機進程間通信不經實體網卡，由核心虛擬介面回環。
• 優點：效能高、隔離性好、開發測試方便。
• 部署時只需修改 IP/埠即可遷移至分散式架構。

常用 Socket API 速查

// 建立
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // IPv4 TCP
int sockfd = socket(AF_INET6, SOCK_DGRAM, 0); // IPv6 UDP

// 綁定
struct sockaddr_in addr = { .sin_family = AF_INET, .sin_port = htons(8080), .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY };
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));

// 監聽 (僅 TCP)
listen(sockfd, SOMAXCONN);

// 接受連線 (僅 TCP)
int connfd = accept(sockfd, NULL, NULL);

// 發送/接收
send(sockfd, buf, len, 0);
recv(sockfd, buf, len, 0);
sendto(sockfd, buf, len, 0, (struct sockaddr*)&dst, sizeof(dst)); // UDP
recvfrom(sockfd, buf, len, 0, (struct sockaddr*)&src, &slen);    // UDP

// 關閉
close(sockfd);
shutdown(sockfd, SHUT_RDWR); // 半關閉

進階主題

• I/O 多路複用：select/poll/epoll (Linux)、kqueue (BSD/macOS)、IOCP (Windows)
• 非阻塞/異步 I/O：fcntl(sock, F_SETFL, O_NONBLOCK)、aio_read/aio_write
• Socket 選項：setsockopt (SO_REUSEADDR, TCP_NODELAY, SO_RCVBUF/SO_SNDBUF)
• IPv6 雙棧：AF_INET6 + IPV6_V6ONLY=0 同時接受 IPv4/IPv6