分享 | 要疯了，到底什么是网络编程？
我是刷题王
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2022.02.03
发布于 未知归属地
Go技术交流网络编程

引言

不知道大家有没有这样的经历，上网搜索技术文章，总是会看到网络编程这个字眼，而各个互联网大厂，也对掌握了网络编程的人才，求贤若渴。其实网络编程无处不在，我们平时用到的互联网产品和网络编程技术息息相关。掌握网络编程，才能在繁杂的网络世界中，看透问题本质，遇到网络相关技术问题，也才能解决的游刃有余。

目录

网络协议栈

那什么是网络编程呢？有人说http就是网络编程，有人说开发RPC框架是网络编程，有人说嵌入式硬件相互通信是网络编程，其实这些都涉及网络编程，都脱离不了网络协议栈。

在大学课本《计算机网络》中，我们学过网络协议栈是OSI七层。现实中，大多数操作系统，实现的是TCP/IP四层协议栈，如图所示。

而网络编程就是在操作系统封装的TCP/IP协议栈的基础上，使用系统内核暴露出来的socket网络编程Api,进行应用程序开发。那如何入门网络编程呢，蛇叔这里将使用Go语言，通过echo服务器客户端程序，一步一步教大家入门网络编程。为何选择echo我服务器呢?哈哈，那当然是因为足够简单了。可以说TCP网络编程中，最简单的客户端服务器交互程序就是我们的echo服务器，下边我们先来看看Echo服务器的Go语言代码是什么样子的。

echo回显服务器代码

# 编译echo回显服务器
go build -o echoServer echoServer.go

# 启动服务器
./echoServer

使用nc，伪装echoClient客户端

# 和服务器建立连接
nc 127.0.0.1 8888

# 客户端
hello-echo

# 服务端
hello-echo

这时候，我们通过nc给服务器发送字符串，服务器会原样把字符串回传给我们。nc和echoServer整个交互过程是怎样的呢?下图展示详细过程。

网络交互图

过程详解

众所周知，TCP会有3次握手和4次挥手，我们的echo服务器就是基于TCP协议的。当然少不了3次握手和4次挥手。

服务器 | 建立socket内核数据结构

  • 首先，我们需要创建socket内核数据结构，通过socket()系统调用，我们可以告诉内核我们要建立基于ipv4的tcpsocket套接字，内核会维护一个sock数据结构并和一个文件相绑定，同时给我们返回一个socketfd，供后续函数使用。
  • 之后，我们需要通过bind(),告知内核将哪个地址绑定到该socket内核数据结构。
  • 然后，使用listen()系统调用，将socket转换为已监听套接字。此时，服务器就可以进行被动连接了。

客户端 | 发起主动连接；服务器 | 被动连接

  • 如果此时客户端通过connect()系统调用发起主动连接，客户端内核协议栈，向服务器发送三次握手的第一步SYN。
  • 当服务器收到这个SYN,会把该套接字放入半连接队列，并向客户端发送ACK、SYN。
  • 当客户端接受到这个ACK、SYN,并向服务器发送ACK。此时客户端connect()系统调用返回，客户端认为三次握手完成。
  • 当服务器收到客户端传来的ACK,则将内核中的套接字放入全连接队列，等待服务器调用accept，并返回给服务器。

服务器 | 等待已连接套接字

  • 当服务器调用accept(), 如果此时全连接队列中没有已完成三次握手的socket,则默认会阻塞，直到全连接队列中拥有已经完成三次握手的socket。
  • accept()会为之前的监听套接字sock内核数据结构，构建一个新的文件，并分配新的fd,这个文件称为已连接套接字。
  • 此时，服务器和客户端就可以收发数据了。

服务器 | 客户端 | 收发数据

收发数据为何需要调用read和write呢？

  • 在内核中，看到的acceptfd(已连接套接字)，本质和文件一样，acceptfd就是文件描述符，所以我们可以直接使用read,write这种操作文件的系统调用。
  • linux内核为每个已连接套接字，分配一个接受缓冲区和一个发送缓冲区。
  • 对于read()，是本机读取acceptfd（服务器）或者socketfd（客户端）相关的socket接收缓冲区，如果socket接收缓冲区缓冲区中有数据，**read()返回, 否则read()**会阻塞，直到socket接收缓冲区中拥有了对端数据。这个接受数据的过程是由内核TCP/IP协议栈实现的。
  • 对于write()，写入的是socket发送缓冲区，如果此时发送缓冲区是满的，write()则会被阻塞。写入socket发送缓冲区的数据，由内核TCP/IP协议栈真实的发往对端。

这里还有几个点：

  1. read返回大于0,表示读取成功。
  2. read返回等于0，表示对端关闭连接，此时应该调用Close关闭连接。
  3. read返回小于0，表示产生错误。
  4. write返回小于0，页表示产生错误。

客户端 | 服务器 | 关闭连接

  • 在nc所在的终端上键入Ctrl+c，结束掉nc进程。此时内核协议栈，会给服务器发送FINTcp节。告知本端已经关闭。
  • 服务端收到客户端的FIN，内核协议栈会给客户端回复ACK，同时read()调用会返回0,这样服务器就知道客户端关闭连接了。
  • 这时候，服务器应该调用close()，开启四次挥手的第二个阶段。向客服端发送一个FIN。
  • 当客户端收到该FIN后，内核协议栈回复ACK，自身并进入TIME_WAIT状态。Linux下等待2MSL, 也就是60秒。

至此，整个echoServer和nc的交互过程就讲解完了。整个过程都是正常的网络交互过程，很多异常的边界没有讨论。在这里，主要是先带大家打开网络编程的神秘大门，有个初步映像，之后的文章我们会一步步对各种边界异常情况进行深入讲解。

网络答疑

  1. 假如一方断网了，不能进行4次挥手，服务器会怎么处理?
  1. 默认未断开一端，会保持established状态。
  2. 未断开一端开启了Keepalive,则会定期往对端发送TCP保活Segment，对端协议栈回复RST,未断开端，就会知道已经出现异常，关闭本端连接
  3. 如果未断开一端没有开启Kepalive,则一直不知道对端已经关闭，直到往对端写数据会得到Connection reset by peer错误，进而知道对端已经关闭。这种情况下，如果未断开端再次往断开对端写数据，则会产生EPIPE错误。
  4. 所以通常需要服务器在应用层做保活心跳，对这种情况的连接做定时踢掉处理。
  1. 客户端发送FIN之后，会发生什么？
  • TCP是全双工通信，也就是双通道通信4次握手中，主动关闭端（客户端），发送FIN, 是告诉被动关闭端（服务器）我不会再给你发送数据了，你不要再在acceptFd上读取数据了，此时服务端再读取数据，会返回0， 也就是EOF。
  • 如果服务端不需要发送数据给客户端，通常需要调用close, 服务端向客户端发送FIN,也就是4次握手的第3步。
  • 如果服务端有数据要发送给客户端，此时依旧可以通过socketfd发送数据给客户端，这也是通常说的TCP半关闭状态。

后记

通过之前的讲解，我们其实可以发现：TCP/IP协议和socketApi是紧密相关的。然而它们又有很多语义的差别。很多时候，想当然的理解，并不是你所想的那样。比如close()系统调用，会不会给对端发送FIN，要看该已连接套接字的引用计数是否达到0。如果有多个进程共享这个文件，其中一个进程close(),并不会给对端发送FINTcp节。诸如此类的细节还有很多很多。

网络编程很重要，学好网络编程却不容易，如何才能掌握呢？蛇叔希望通过代码+图片的方式，给读者讲解看得见的网络编程。我们下期再见~~

参考文献

  1. 《TCP/IP详解 卷1》
  2. 《Unix网络编程 卷1》
  3. 《计算机网络》
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