Skip to main content

44-43-Socket通信：遇上特大项目，要学会和其他公司合作

上一篇预习文章说了这么多，现在我们终于可以来看一下，在应用层，我们应该如何使用socket的接口来进行通信。

如果你对socket相关的网络协议原理不是非常了解，建议你先去看一看上一篇的预习文章，再来看这一篇的内容，就会比较轻松。

按照前一篇文章说的分层机制，我们可以想到，socket接口大多数情况下操作的是传输层，更底层的协议不用它来操心，这就是分层的好处。

在传输层有两个主流的协议TCP和UDP，所以我们的socket程序设计也是主要操作这两个协议。这两个协议的区别是什么呢？通常的答案是下面这样的。

  • TCP是面向连接的，UDP是面向无连接的。
  • TCP提供可靠交付，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达；UDP不提供可靠交付，不保证不丢失，不保证按顺序到达。
  • TCP是面向字节流的，发送时发的是一个流，没头没尾；UDP是面向数据报的，一个一个地发送。
  • TCP是可以提供流量控制和拥塞控制的，既防止对端被压垮，也防止网络被压垮。

这些答案没有问题，但是没有到达本质，也经常让人产生错觉。例如，下面这些问题，你看看你是否了解？

  • 所谓的连接，容易让人误以为，使用TCP会使得两端之间的通路和使用UDP不一样，那我们会在沿途建立一条线表示这个连接吗？
  • 我从中国访问美国网站，中间这么多环节，我怎么保证连接不断呢？
  • 中间有个网络管理员拔了一根网线不就断了吗？我不能控制它，它也不会通知我，我一个个人电脑怎么能够保持连接呢？
  • 还让我做流量控制和拥塞控制，我既管不了中间的链路，也管不了对端的服务器呀，我怎么能够做到？
  • 按照网络分层，TCP和UDP都是基于IP协议的，IP都不能保证可靠，说丢就丢，TCP怎么能够保证呢？
  • IP层都是一个包一个包地发送，TCP怎么就变成流了？

从本质上来讲，所谓的建立连接，其实是为了在客户端和服务端维护连接，而建立一定的数据结构来维护双方交互的状态，并用这样的数据结构来保证面向连接的特性。TCP无法左右中间的任何通路，也没有什么虚拟的连接，中间的通路根本意识不到两端使用了TCP还是UDP。

所谓的连接，就是两端数据结构状态的协同，两边的状态能够对得上。符合TCP协议的规则，就认为连接存在；两面状态对不上，连接就算断了。

流量控制和拥塞控制其实就是根据收到的对端的网络包，调整两端数据结构的状态。TCP协议的设计理论上认为，这样调整了数据结构的状态，就能进行流量控制和拥塞控制了，其实在通路上是不是真的做到了，谁也管不着。

所谓的可靠，也是两端的数据结构做的事情。不丢失其实是数据结构在“点名”，顺序到达其实是数据结构在“排序”，面向数据流其实是数据结构将零散的包，按照顺序捏成一个流发给应用层。总而言之，“连接”两个字让人误以为功夫在通路，其实功夫在两端。

当然，无论是用socket操作TCP，还是UDP，我们首先都要调用socket函数。

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函数用于创建一个socket的文件描述符，唯一标识一个socket。我们把它叫作文件描述符，因为在内核中，我们会创建类似文件系统的数据结构，并且后续的操作都有用到它。

socket函数有三个参数。

  • domain：表示使用什么IP层协议。AF_INET表示IPv4，AF_INET6表示IPv6。
  • type：表示socket类型。SOCK_STREAM，顾名思义就是TCP面向流的，SOCK_DGRAM就是UDP面向数据报的，SOCK_RAW可以直接操作IP层，或者非TCP和UDP的协议。例如ICMP。
  • protocol表示的协议，包括IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP。

通信结束后，我们还要像关闭文件一样，关闭socket。

针对TCP应该如何编程？​

接下来我们来看，针对TCP，我们应该如何编程。

TCP的服务端要先监听一个端口，一般是先调用bind函数，给这个socket赋予一个端口和IP地址。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

struct sockaddr_in {
  __kernel_sa_family_t  sin_family; /* Address family       */
  __be16        sin_port;   /* Port number          */
  struct in_addr    sin_addr;   /* Internet address     */

  /* Pad to size of `struct sockaddr'. */
  unsigned char     __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -
            sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
};

struct in_addr {
    __be32  s_addr;
};

其中，sockfd是上面我们创建的socket文件描述符。在sockaddr_in结构中，sin_family设置为AF_INET，表示IPv4；sin_port是端口号；sin_addr是IP地址。

服务端所在的服务器可能有多个网卡、多个地址，可以选择监听在一个地址，也可以监听0.0.0.0表示所有的地址都监听。服务端一般要监听在一个众所周知的端口上，例如，Nginx一般是80，Tomcat一般是8080。

客户端要访问服务端，肯定事先要知道服务端的端口。无论是电商，还是游戏，还是视频，如果你仔细观察，会发现都有一个这样的端口。可能你会发现，客户端不需要bind，因为浏览器嘛，随机分配一个端口就可以了，只有你主动去连接别人，别人不会主动连接你，没有人关心客户端监听到了哪里。

如果你看上面代码中的数据结构，里面的变量名称都有“be”两个字母，代表的意思是“big-endian”。如果在网络上传输超过1 Byte的类型，就要区分大端（Big Endian）和小端（Little Endian）。

假设，我们要在32位4 Bytes的一个空间存放整数1，很显然只要1 Byte放1，其他3 Bytes放0就可以了。那问题是，最后一个Byte放1呢，还是第一个Byte放1呢？或者说，1作为最低位，应该放在32位的最后一个位置呢，还是放在第一个位置呢？

最低位放在最后一个位置，我们叫作小端，最低位放在第一个位置，叫作大端。TCP/IP栈是按照大端来设计的，而x86机器多按照小端来设计，因而发出去时需要做一个转换。

接下来，就要建立TCP的连接了，也就是著名的三次握手，其实就是将客户端和服务端的状态通过三次网络交互，达到初始状态是协同的状态。下图就是三次握手的序列图以及对应的状态转换。

接下来，服务端要调用listen进入LISTEN状态，等待客户端进行连接。

int listen(int sockfd, int backlog);

连接的建立过程，也即三次握手，是TCP层的动作，是在内核完成的，应用层不需要参与。

接着，服务端只需要调用accept，等待内核完成了至少一个连接的建立，才返回。如果没有一个连接完成了三次握手，accept就一直等待；如果有多个客户端发起连接，并且在内核里面完成了多个三次握手，建立了多个连接，这些连接会被放在一个队列里面。accept会从队列里面取出一个来进行处理。如果想进一步处理其他连接，需要调用多次accept，所以accept往往在一个循环里面。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

接下来，客户端可以通过connect函数发起连接。

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

我们先在参数中指明要连接的IP地址和端口号，然后发起三次握手。内核会给客户端分配一个临时的端口。一旦握手成功，服务端的accept就会返回另一个socket。

这里需要注意的是，监听的socket和真正用来传送数据的socket，是两个socket，一个叫作监听socket，一个叫作已连接socket。成功连接建立之后，双方开始通过read和write函数来读写数据，就像往一个文件流里面写东西一样。

针对UDP应该如何编程？​

接下来我们来看，针对UDP应该如何编程。

UDP是没有连接的，所以不需要三次握手，也就不需要调用listen和connect，但是UDP的交互仍然需要IP地址和端口号，因而也需要bind。

对于UDP来讲，没有所谓的连接维护，也没有所谓的连接的发起方和接收方，甚至都不存在客户端和服务端的概念，大家就都是客户端，也同时都是服务端。只要有一个socket，多台机器就可以任意通信，不存在哪两台机器是属于一个连接的概念。因此，每一个UDP的socket都需要bind。每次通信时，调用sendto和recvfrom，都要传入IP地址和端口。

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

总结时刻​

这一节我们讲了网络协议的基本原理和socket系统调用，这里请你重点关注TCP协议的系统调用。

通过学习，我们知道，socket系统调用是用户态和内核态的接口，网络协议的四层以下都是在内核中的。很多的书籍会讲如何开发一个高性能的socket程序，但是这不是我们这门课的重点，所以我们主要看内核里面的机制就行了。

因此，你需要记住TCP协议的socket调用的过程。我们接下来就按照这个顺序，依次回忆一下这些系统调用到内核都做了什么：

  • 服务端和客户端都调用socket，得到文件描述符；
  • 服务端调用listen，进行监听；
  • 服务端调用accept，等待客户端连接；
  • 客户端调用connect，连接服务端；
  • 服务端accept返回用于传输的socket的文件描述符；
  • 客户端调用write写入数据；
  • 服务端调用read读取数据。

课堂练习​

请你根据今天讲的socket系统调用，写一个简单的socket程序来传输一个字符串。

欢迎留言和我分享你的疑惑和见解 ，也欢迎可以收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。