Как один сетевой сокет обрабатывает много соединений?
Выходит, что на стороне сервера все запросы маршрутизируются через один серверный сокет, забинденый на порту? Как происходит маршрутизация? 
Через серверный сокет проходят только запросы на установку соединения. После того как соединение установлено, на стороне сервера создаётся новый сокет, связывающий IP сервера на которым был принят запрос, порт сервера, IP клиента, отправившего запрос и порт клиента. Этого набора информации достаточно, чтобы определить, что пришедший пакет должен появиться в этом сокете, а при записи в сокет понять, куда отсылать пакет.
У каждого клиента есть исходящий порт и IP. Соответственно ОС может определить в какой сокет отправлять данные когда пришел TCP пакет.