Socket 编程实战

LyndonKarr 7年前
   <p>Socket 在英文中的含义为“(连接两个物品的)凹槽”,像 the eye socket ,意为“眼窝”,此外还有“插座”的意思。在计算机科学中,socket 通常是指一个连接的两个端点,这里的连接可以是同一机器上的,像 unix domain socket ,也可以是不同机器上的,像 network socket 。</p>    <p>本文着重介绍现在用的最多的 network socket,包括其在网络模型中的位置、API 的编程范式、常见错误等方面,最后用 Python 语言中的 socket API 实现几个实际的例子。Socket 中文一般翻译为“套接字”,不得不说这是个让人摸不着头脑的翻译,我也没想到啥“信达雅”的翻译,所以本文直接用其英文表述。本文中所有代码均可在 socket.py 仓库中找到。</p>    <h2><strong>概述</strong></h2>    <p>Socket 作为一种通用的技术规范,首次是由 Berkeley 大学在 1983 为 4.2BSD Unix 提供的,后来逐渐演化为 POSIX 标准。Socket API 是由操作系统提供的一个编程接口,让应用程序可以控制使用 socket 技术。Unix 哲学中有一条 一切皆为文件 ,所以 socket 和 file 的 API 使用很类似:可以进行 read 、 write 、 open 、 close 等操作。</p>    <p>现在的网络系统是分层的,理论上有 OSI模型 ,工业界有 TCP/IP协议簇 。其对比如下:</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/8546f885029b424c387e8f3091c00efb.gif"></p>    <p>每层上都有其相应的协议,socket API 不属于TCP/IP协议簇,只是操作系统提供的一个用于网络编程的接口,工作在应用层与传输层之间:</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/fcd3946e94096ef2d7a89e74a85bc075.gif"></p>    <p>我们平常浏览网站所使用的http协议,收发邮件用的smtp与imap,都是基于 socket API 构建的。</p>    <p>一个 socket,包含两个必要组成部分:</p>    <ol>     <li> <p>地址,由 ip 与 端口组成,像 192.168.0.1:80 。</p> </li>     <li> <p>协议,socket 所是用的传输协议,目前有三种: TCP 、 UDP 、 raw IP 。</p> </li>    </ol>    <p>地址与协议可以确定一个socket;一台机器上,只允许存在一个同样的socket。TCP 端口 53 的 socket 与 UDP 端口 53 的 socket 是两个不同的 socket。</p>    <p>根据 socket 传输数据方式的不同(使用协议不同),可以分为以下三种:</p>    <ol>     <li> <p>Stream sockets ,也称为“面向连接”的 socket,使用 TCP 协议。实际通信前需要进行连接,传输的数据没有特定的结构,所以高层协议需要自己去界定数据的分隔符,但其优势是数据是可靠的。</p> </li>     <li> <p>Datagram sockets ,也称为“无连接”的 socket,使用 UDP 协议。实际通信前不需要连接,一个优势时 UDP 的数据包自身是可分割的(self-delimiting),也就是说每个数据包就标示了数据的开始与结束,其劣势是数据不可靠。</p> </li>     <li> <p>Raw sockets ,通常用在路由器或其他网络设备中,这种 socket 不经过TCP/IP协议簇中的传输层(transport layer),直接由网络层(Internet layer)通向应用层(Application layer),所以这时的数据包就不会包含 tcp 或 udp 头信息。</p> </li>    </ol>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/1febc0cc6bb4750cb26959ebf7ee1bfb.png"></p>    <h2><strong>Python socket API</strong></h2>    <p>Python 里面用 (ip, port) 的元组来表示 socket 的地址属性,用 AF_* 来表示协议类型。</p>    <p>数据通信有两组动词可供选择: send/recv 或 read/write 。 read/write 方式也是 Java 采用的方式,这里不会对这种方式进行过多的解释,但是需要注意的是:</p>    <p>read/write 操作的具有 buffer 的“文件”,所以在进行读写后需要调用 flush 方法去真正发送或读取数据,否则数据会一直停留在缓冲区内。</p>    <h3>TCP socket</h3>    <p>TCP socket 由于在通向前需要建立连接,所以其模式较 UDP socket 负责些。具体如下:</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/1495b4d6ce036c44805ff29ce717fa41.png"></p>    <p>每个API 的具体含义这里不在赘述,可以查看 手册 ,这里给出 Python 语言的实现的 echo server。</p>    <pre>  <code class="language-python"># echo_server.py  # coding=utf8  import socket    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  # 设置 SO_REUSEADDR 后,可以立即使用 TIME_WAIT 状态的 socket  sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)  sock.bind(('', 5500))  sock.listen(5)</code></pre>    <pre>  <code class="language-python">def handler(client_sock, addr):      print('new client from %s:%s' % addr)      msg = client_sock.recv(1024)      client_sock.send(msg)      client_sock.close()      print('client[%s:%s] socket closed' % addr)    if __name__ == '__main__':      while 1:          client_sock, addr = sock.accept()          handler(client_sock, addr)</code></pre>    <pre>  <code class="language-python"># echo_client.py  # coding=utf8  import socket    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  sock.connect(('', 5500))  sock.send('hello socket world')  print sock.recv(1024)</code></pre>    <p>上面简单的echo server 代码中有一点需要注意的是:server 端的 socket 设置了 SO_REUSEADDR 为1,目的是可以立即使用处于 TIME_WAIT 状态的socket,那么 TIME_WAIT 又是什么意思呢?后面在讲解 tcp 状态变更图时再做详细介绍。</p>    <h3><strong>UDP socket</strong></h3>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/f5181eb197fe0d26f7585bfd576ddf3f.jpg"></p>    <p>UDP socket server 端代码在进行 bind 后,无需调用 listen 方法。</p>    <pre>  <code class="language-python"># udp_echo_server.py  # coding=utf8  import socket    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)  # 设置 SO_REUSEADDR 后,可以立即使用 TIME_WAIT 状态的 socket  sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)  sock.bind(('', 5500))  # 没有调用 listen    if __name__ == '__main__':      while 1:          data, addr = sock.recvfrom(1024)            print('new client from %s:%s' % addr)          sock.sendto(data, addr)    # udp_echo_client.py  # coding=utf8  import socket    udp_server_addr = ('', 5500)    if __name__ == '__main__':      sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)      data_to_sent = 'hello udp socket'      try:          sent = sock.sendto(data_to_sent, udp_server_addr)          data, server = sock.recvfrom(1024)          print('receive data:[%s] from %s:%s' % ((data,) + server))      finally:          sock.close()</code></pre>    <h2><strong>常见陷阱</strong></h2>    <h3><strong>忽略返回值</strong></h3>    <p>本文中的 echo server 示例因为篇幅限制,也忽略了返回值。网络通信是个非常复杂的问题,通常无法保障通信双方的网络状态,很有可能在发送/接收数据时失败或部分失败。所以有必要对发送/接收函数的返回值进行检查。本文中的 tcp echo client 发送数据时,正确写法应该如下:</p>    <pre>  <code class="language-python">total_send = 0  content_length = len(data_to_sent)  while total_send < content_length:      sent = sock.send(data_to_sent[total_send:])      if sent == 0:          raise RuntimeError("socket connection broken")      total_send += total_send + sent</code></pre>    <p>send/recv 操作的是网络缓冲区的数据,它们不必处理传入的所有数据。</p>    <p>一般来说,当网络缓冲区填满时, send函数 就返回了;当网络缓冲区被清空时, recv 函数 就返回。</p>    <p>当 recv 函数返回0时,意味着对端已经关闭。</p>    <p>可以通过下面的方式设置缓冲区大小。</p>    <pre>  <code class="language-python">s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_SNDBUF, buffer_size)</code></pre>    <h3><strong>认为 TCP 具有 framing</strong></h3>    <p>TCP 不提供 framing,这使得其很适合于传输数据流。这是其与 UDP 的重要区别之一。UDP 是一个面向消息的协议,能保持一条消息在发送者与接受者之间的完备性。</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/2daa51aa496667b46a90f4bc8d2160ba.gif"></p>    <p>代码示例参考: framing_assumptions</p>    <h2><strong>TCP 的状态机</strong></h2>    <p>在前面echo server 的示例中,提到了TIME_WAIT状态,为了正式介绍其概念,需要了解下 TCP 从生成到结束的状态机器。</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/11a83cab93a101daf0b0db542aca7588.gif"></p>    <p>这个状图转移图非常非常关键,也比较复杂,我自己为了方便记忆,对这个图进行了拆解,仔细分析这个图,可以得出这样一个结论,连接的打开与关闭都有被动(passive)与主动(active)两种,主动关闭时,涉及到的状态转移最多,包括FIN_WAIT_1、FIN_WAIT_2、CLOSING、TIME_WAIT。</p>    <p>此外,由于 TCP 是可靠的传输协议,所以每次发送一个数据包后,都需要得到对方的确认(ACK),有了上面这两个知识后,再来看下面的图:</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/ec4749e9464af20cd89c59271b5a214b.png"></p>    <ol>     <li> <p>在主动关闭连接的 socket 调用 close 方法的同时,会向被动关闭端发送一个 FIN</p> </li>     <li> <p>对端收到FIN后,会向主动关闭端发送ACK进行确认,这时被动关闭端处于 CLOSE_WAIT 状态</p> </li>     <li> <p>当被动关闭端调用 close 方法进行关闭的同时向主动关闭端发送 FIN 信号,接收到 FIN 的主动关闭端这时就处于 TIME_WAIT 状态</p> </li>     <li> <p>这时主动关闭端不会立刻转为 CLOSED 状态,而是需要等待 2MSL(max segment life,一个数据包在网络传输中最大的生命周期),以确保被动关闭端能够收到最后发出的 ACK。如果被动关闭端没有收到最后的 ACK,那么被动关闭端就会重新发送 FIN,所以处于TIME_WAIT的主动关闭端会再次发送一个 ACK 信号,这么一来(FIN来)一回(ACK),正好是两个 MSL 的时间。如果等待的时间小于 2MSL,那么新的socket就可以收到之前连接的数据。</p> </li>    </ol>    <p>前面 echo server 的示例也说明了,处于 TIME_WAIT 并不是说一定不能使用,可以通过设置 socket 的 SO_REUSEADDR 属性以达到不用等待 2MSL 的时间就可以复用socket 的目的,当然,这仅仅适用于测试环境,正常情况下不要修改这个属性。</p>    <h2><strong>实战</strong></h2>    <h3><strong>HTTP UA</strong></h3>    <p>http 协议是如今万维网的基石,可以通过 socket API 来简单模拟一个浏览器(UA)是如何解析 HTTP 协议数据的。</p>    <pre>  <code class="language-python">#coding=utf8  import socket    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  baidu_ip = socket.gethostbyname('baidu.com')  sock.connect((baidu_ip, 80))  print('connected to %s' % baidu_ip)    req_msg = [      'GET / HTTP/1.1',      'User-Agent: curl/7.37.1',      'Host: baidu.com',      'Accept: */*',  ]  delimiter = '\r\n'    sock.send(delimiter.join(req_msg))  sock.send(delimiter)  sock.send(delimiter)    print('%sreceived%s' % ('-'*20, '-'*20))  http_response = sock.recv(4096)  print(http_response)</code></pre>    <p>运行上面的代码可以得到下面的输出</p>    <pre>  <code class="language-python">--------------------received--------------------  HTTP/1.1 200 OK  Date: Tue, 01 Nov 2016 12:16:53 GMT  Server: Apache  Last-Modified: Tue, 12 Jan 2010 13:48:00 GMT  ETag: "51-47cf7e6ee8400"  Accept-Ranges: bytes  Content-Length: 81  Cache-Control: max-age=86400  Expires: Wed, 02 Nov 2016 12:16:53 GMT  Connection: Keep-Alive  Content-Type: text/html    <html>  <meta http-equiv="refresh" content="0;url=http://www.baidu.com/">  </html></code></pre>    <p>http_response 是通过直接调用 recv(4096) 得到的,万一真正的返回大于这个值怎么办?我们前面知道了 TCP 协议是面向流的,它本身并不关心消息的内容,需要应用程序自己去界定消息的边界,对于应用层的 HTTP 协议来说,有几种情况,最简单的一种时通过解析返回值头部的 Content-Length 属性,这样就知道 body 的大小了,对于 HTTP 1.1版本,支持 Transfer-Encoding: chunked 传输,对于这种格式,这里不在展开讲解,大家只需要知道, TCP 协议本身无法区分消息体就可以了。对这块感兴趣的可以查看 CPython 核心模块 http.client</p>    <h3><strong>Unix_domain_socket</strong></h3>    <p>UDS 用于同一机器上不同进程通信的一种机制,其API适用与 network socket 很类似。只是其连接地址为本地文件而已。</p>    <h3><strong>ping</strong></h3>    <p>ping 命令作为检测网络联通性最常用的工具,其适用的传输协议既不是TCP,也不是 UDP,而是 ICMP,利用 raw sockets,我们可以适用纯 Python 代码来实现其功能。</p>    <h3><strong>netstat vs ss</strong></h3>    <p>netstat 与 ss 是类 Unix 系统上查看 Socket 信息的命令。</p>    <p>netstat 是比较老牌的命令,我常用的选择有</p>    <ul>     <li> <p>-t ,只显示 tcp 连接</p> </li>     <li> <p>-u ,只显示 udp 连接</p> </li>     <li> <p>-n ,不用解析hostname,用 IP 显示主机,可以加快执行速度</p> </li>     <li> <p>-p ,查看连接的进程信息</p> </li>     <li> <p>-l ,只显示监听的连接</p> </li>    </ul>    <p>ss 是新兴的命令,其选项和 netstat 差不多,主要区别是能够进行过滤(通过 state 与 exclude 关键字)。</p>    <pre>  <code class="language-python">$ ss -o state time-wait -n | head  Recv-Q Send-Q             Local Address:Port               Peer Address:Port  0      0                 10.200.181.220:2222              10.200.180.28:12865  timer:(timewait,33sec,0)  0      0                      127.0.0.1:45977                 127.0.0.1:3306   timer:(timewait,46sec,0)  0      0                      127.0.0.1:45945                 127.0.0.1:3306   timer:(timewait,6.621ms,0)  0      0                 10.200.181.220:2222              10.200.180.28:12280  timer:(timewait,12sec,0)  0      0                 10.200.181.220:2222              10.200.180.28:35045  timer:(timewait,43sec,0)  0      0                 10.200.181.220:2222              10.200.180.28:42675  timer:(timewait,46sec,0)  0      0                      127.0.0.1:45949                 127.0.0.1:3306   timer:(timewait,11sec,0)  0      0                      127.0.0.1:45954                 127.0.0.1:3306   timer:(timewait,21sec,0)  0      0               ::ffff:127.0.0.1:3306           ::ffff:127.0.0.1:45964  timer:(timewait,31sec,0)</code></pre>    <h2><strong>总结</strong></h2>    <p>我们的生活已经离不开网络,平时的开发也充斥着各种复杂的网络应用,从最基本的数据库,到各种分布式系统,不论其应用层怎么复杂,其底层传输数据的的协议簇是一致的。Socket 这一概念我们很少直接与其打交道,但是当我们的系统出现问题时,往往是对底层的协议认识不足造成的,希望这篇文章能对大家编程网络方面的程序有所帮助。</p>    <h2><strong>参考</strong></h2>    <ul>     <li> <p><a href="/misc/goto?guid=4959723541748759418" rel="nofollow,noindex">Five pitfalls of Linux sockets programming</a></p> </li>     <li> <p><a href="/misc/goto?guid=4959723541839796056" rel="nofollow,noindex">Programming Linux sockets, Part 1: Using TCP/IP</a></p> </li>     <li> <p><a href="/misc/goto?guid=4959723541928162649" rel="nofollow,noindex">http://stackoverflow.com/ques...</a></p> </li>     <li> <p><a href="/misc/goto?guid=4959723542012081891" rel="nofollow,noindex">What’s The Difference Between The OSI Seven-Layer Network Model And TCP/IP?</a></p> </li>     <li> <p><a href="/misc/goto?guid=4959637144092477301" rel="nofollow,noindex">TCP 的那些事儿(上)</a></p> </li>     <li> <p><a href="/misc/goto?guid=4959723542120371782" rel="nofollow,noindex">Coping with the TCP TIME-WAIT state on busy Linux servers</a></p> </li>    </ul>    <p> </p>    <p>来自:https://segmentfault.com/a/1190000007350218</p>    <p> </p>