TCP的端口号与套接字（Socket）详解

一、知识描述
TCP使用端口号来标识同一主机上的不同应用程序进程，而套接字（Socket） 则是由IP地址和端口号组合的唯一标识，用于区分网络中的不同通信端点。理解端口号和套接字是掌握TCP/UDP多路复用、连接建立和网络编程的基础。

二、端口号的作用与分类

1. 为什么需要端口号？

   • IP地址仅能标识主机，但一台主机可能同时运行多个网络程序（如浏览器、邮件客户端）。
   • 端口号（16位整数，范围0~65535）用于区分同一主机内的不同进程，实现多路复用。

2. 端口号分类

   • 知名端口（0~1023）：分配给系统级服务（如HTTP-80、HTTPS-443、SSH-22）。
   • 注册端口（1024~49151）：分配给用户级应用程序（如MySQL-3306）。
   • 动态/私有端口（49152~65535）：客户端临时使用的端口（由操作系统自动分配）。

三、套接字（Socket）的定义与组成

1. 套接字是什么？

   • 套接字 = IP地址 + 端口号，例如 192.168.1.10:80。
   • 在TCP通信中，一个连接由一对套接字唯一标识：

     (源IP, 源端口, 目的IP, 目的端口)  
     

     例如：(192.168.1.10:5000, 203.0.113.5:80)。

2. 套接字的作用

   • 操作系统通过套接字将接收到的数据包正确分发给对应的应用程序进程。

四、TCP连接中的端口号分配示例
以客户端访问Web服务器为例：

1. 客户端随机选择一个动态端口（如5000）作为源端口。
2. 服务器使用知名端口80作为目的端口。
3. 连接标识为四元组：(客户端IP:5000, 服务器IP:80)。
4. 服务器同时服务多个客户端时，所有连接的目的端口均为80，但源IP和源端口不同，因此不会混淆。

五、套接字在编程中的体现

1. 服务器端流程
   • 创建套接字 → 绑定IP和端口（如0.0.0.0:80）→ 监听连接 → 接受客户端连接（生成新套接字处理数据）。
2. 客户端流程
   • 创建套接字 → 连接服务器（自动分配源端口）→ 通过套接字发送/接收数据。

六、常见问题解析

1. 端口冲突
   • 若两个程序同时绑定同一端口，会触发“Address already in use”错误。
2. TIME_WAIT状态的影响
   • 主动关闭连接的一方（如客户端）会进入TIME_WAIT状态，导致端口短暂不可用，但仅影响同一连接的四元组重复使用。

七、总结

• 端口号是进程级的地址，套接字是网络通信的端点标识。
• 通过四元组唯一确定TCP连接，支持多对多通信的精确数据分发。