4 TCP与UDP与WebSocket

Posted 2022-11-18 行走的皮卡丘

4 TCP与UDP与WebSocket

• 1 Socket概念
• • 1.1 Socket简介
  • 1.2 IPv4与IPv6
• 2 TCP编程
• • 2.1 服务端代码
  • 2.2 Go的TCP客户端案例
  • 2.3 Go的TCP响应解释
• 3 UDP
• 4 websocket概述
• 5 WebSocket原理
• 6 Go实现WebSocket

1 Socket概念

1.1 Socket简介

大部分底层网络编程都依赖于Socket编程，包括：HTTP，IM通信，视频流传输，游戏服务器等。因为对于HTTP协议来说，直接使用Socket编程能够节省性能开支。

Socket起源于UNIX，本着UNIX一切皆文件的哲学，可以用打开-读写-关闭的方式操作。网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用：Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

网络之间的进程如果要通信，需要先对socket进行唯一标识。在本地，网络之间通信可以通过PID来标识唯一，但是到了网络中，进程通过网络层的IP，传输层的协议+端口来标识（三元组：ip地址，协议，端口可以标识网络的唯一进程）。

Web开发中，Socket编程主要面向OSI模型的第三层和第四层协议，即：IP协议，TCP协议，UDP协议，常见的分类有：

• 流式Socket（SOCK_STREAM）：面向连接，主要用于TCP服务
• 数据式Socket（SOCK_DGRAM）：无连接，主要用于UDP服务

1.2 IPv4与IPv6

目前的全球因特网所采用的协议族是TCP/IP协议。IP是TCP/IP协议中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议。目前主要采用的IP协议的版本号是4(简称为IPv4)。

IPv4的地址位数为32位，也就是最多有2的32次方的网络设备可以联到Internet上。近十年来由于互联网的蓬勃发展，IP位址的需求量愈来愈大，使得IP位址的发放愈趋紧张，前一段时间，据报道IPV4的地址已经发放完毕。

IPv4地址格式类似这样：127.0.0.1 171.121.121.111

IPv6是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的协议，它是为了解决IPv4在实施过程中遇到的各种问题而被提出的，IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题，主要有端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。

地址格式类似这样：2008:c0e8:82e7:0:0:0:c7e8:82e7

Go中提供了ParseIP(s string) IP函数会把一个IPv4或者IPv6的地址转化成IP类型。

2 TCP编程

2.1 服务端代码

//服务端处理从客户端接受的数据
func handleConnection(c net.Conn) 
	defer c.Close() //关闭conn

	for 

		//1. 等待客户端通过conn发送信息
		//2. 如果客户端没有wrtie[发送]，那么协程就阻塞在这里
		fmt.Printf("服务器在等待客户端%s 发送信息\\n", c.RemoteAddr().String())
		buf := make([]byte, 1024)
		n, err := c.Read(buf)
		if err != nil 
			log.Fatal(err)
			break
		

		//3. 显示客户端发送的内容到服务器的终端
		fmt.Print(string(buf[:n]))
	


func main() 
	l, err := net.Listen("tcp", "localhost:8888")
	if err != nil 
		log.Fatal(err)
	
	defer l.Close()
	for  //循环等待客户端访问
		conn, err := l.Accept()
		if err != nil 
			log.Fatal(err)
		
		fmt.Printf("访问客户端信息： con=%v 客户端ip=%v\\n", conn, conn.RemoteAddr().String())

		go handleConnection(conn)

	

2.2 Go的TCP客户端案例

func main() 
	conn, err := net.Dial("tcp", "localhost:8888")
	if err != nil 
		log.Fatal(err)
	

	//客户端可以发送单行数据，然后就退出
	reader := bufio.NewReader(os.Stdin) //os.Stdin 代表标准输入[终端]
	for 
		//从终端读取一行用户输入，并准备发送给服务器
		line, err := reader.ReadString('\\n')
		if err != nil 
			log.Fatal(err)
		
		line = strings.Trim(line, "\\r\\n")

		if line == "exit" 
			fmt.Println("用户退出客户端")
			break
		
		//再将line 发送给 服务器
		conent, err := conn.Write([]byte(line + "\\n"))
		if err != nil 
			log.Fatal(err)
		
		fmt.Printf("客户端发送了 %d 字节的数据到服务端\\n", conent)
	

2.3 Go的TCP响应解释

Go语言通过net包中的DialTCP函数来建立一个TCP连接，并返回一个TCPConn类型的对象，当连接建立时服务器也创建一个同类型的对象，此时客户端和服务端通过各自拥有的TCPConn对象进行数据交换，只有当任意一端关闭连接，才会失效。

TCPConn类型拥有的函数有：

func (c *TCPConn) Write(b []byte) (int, error)
func (c *TCPConn) Read(b []byte) (int, error)

TCPAddr类型表示一个TCP的地址信息:

type TCPAddr struct 
	IP IP
	Port int
	Zone string // IPv6 scoped addressing zone

在Go语言中通过ResolveTCPAddr获取一个TCPAddr

func ResolveTCPAddr(net, addr string) (*TCPAddr, os.Error)

// net参数是"tcp4"、"tcp6"、"tcp"中的任意一个，分别表示TCP(IPv4-only), TCP(IPv6-only)或者TCP(IPv4, IPv6的任意一个)。
// addr表示域名或者IP地址，例如"www.google.com:80" 或者"127.0.0.1:22"。

Go语言中通过net包中的DialTCP函数来建立一个TCP连接，并返回一个TCPConn类型的对象，当连接建立时服务器端也创建一个同类型的对象，此时客户端和服务器端通过各自拥有的TCPConn对象来进行数据交换。一般而言，客户端通过TCPConn对象将请求信息发送到服务器端，读取服务器端响应的信息。服务器端读取并解析来自客户端的请求，并返回应答信息，这个连接只有当任一端关闭了连接之后才失效，不然这连接可以一直在使用。建立连接的函数定义如下：

func DialTCP(network string, laddr, raddr *TCPAddr) (*TCPConn, error)

// network参数是"tcp4"、"tcp6"、"tcp"中的任意一个，分别表示TCP(IPv4-only)、TCP(IPv6-only)或者TCP(IPv4,IPv6的任意一个)
// laddr表示本机地址，一般设置为nil
// raddr表示远程的服务地址

TCP有很多连接控制函数，我们平常用到比较多的有如下几个函数：

func DialTimeout(net, addr string, timeout time.Duration) (Conn, error)

设置建立连接的超时时间，客户端和服务器端都适用，当超过设置时间时，连接自动关闭。

func (c *TCPConn) SetReadDeadline(t time.Time) error
func (c *TCPConn) SetWriteDeadline(t time.Time) error

用来设置写入/读取一个连接的超时时间。当超过设置时间时，连接自动关闭。

func (c *TCPConn) SetKeepAlive(keepalive bool) os.Error

设置keepAlive属性，是操作系统层在tcp上没有数据和ACK的时候，会间隔性的发送keepalive包，操作系统可以通过该包来判断一个tcp连接是否已经断开，在windows上默认2个小时没有收到数据和keepalive包的时候人为tcp连接已经断开，这个功能和我们通常在应用层加的心跳包的功能类似。

3 UDP

Go语言包中处理UDP Socket和TCP Socket不同的地方就是在服务器端处理多个客户端请求数据包的方式不同,UDP缺少了对客户端连接请求的Accept函数。其他基本几乎一模一样，只有TCP换成了UDP而已。UDP的几个主要函数如下所示：

func ResolveUDPAddr(net, addr string) (*UDPAddr, os.Error)
func DialUDP(net string, laddr, raddr *UDPAddr) (c *UDPConn, err os.Error)
func ListenUDP(net string, laddr *UDPAddr) (c *UDPConn, err os.Error)
func (c *UDPConn) ReadFromUDP(b []byte) (n int, addr *UDPAddr, err os.Error)
func (c *UDPConn) WriteToUDP(b []byte, addr *UDPAddr) (n int, err os.Error)

一个UDP的客户端代码如下所示,我们可以看到不同的就是TCP换成了UDP而已：

func main() 
	if len(os.Args) != 2 
		fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s host:port", os.Args[0])
		os.Exit(1)
	
	service := os.Args[1]
	udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp4", service)
	checkError(err)
	conn, err := net.DialUDP("udp", nil, udpAddr)
	checkError(err)
	_, err = conn.Write([]byte("anything"))
	checkError(err)
	var buf [512]byte
	n, err := conn.Read(buf[0:])
	checkError(err)
	fmt.Println(string(buf[0:n]))
	os.Exit(0)

func checkError(err error) 
	if err != nil 
		fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error %s", err.Error())
		os.Exit(1)
	

我们来看一下UDP服务器端如何来处理：

func main() 
	service := ":1200"
	udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp4", service)
	checkError(err)
	conn, err := net.ListenUDP("udp", udpAddr)
	checkError(err)
	for 
		handleClient(conn)
	

func handleClient(conn *net.UDPConn) 
	var buf [512]byte
	_, addr, err := conn.ReadFromUDP(buf[0:])
	if err != nil 
		return
	
	daytime := time.Now().String()
	conn.WriteToUDP([]byte(daytime), addr)

func checkError(err error) 
	if err != nil 
		fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error %s", err.Error())
		os.Exit(1)
	

4 websocket概述

WebSocket是html5的重要特性，它实现了基于浏览器的远程socket，它使浏览器和服务器可以进行全双工通信，许多浏览器（Firefox、Google Chrome和Safari）都已对此做了支持。

在WebSocket出现之前，为了实现即时通信，采用的技术都是“轮询”，即在特定的时间间隔内，由浏览器对服务器发出HTTP Request，服务器在收到请求后，返回最新的数据给浏览器刷新，“轮询”使得浏览器需要对服务器不断发出请求，这样会占用大量带宽。

WebSocket采用了一些特殊的报头，使得浏览器和服务器只需要做一个握手的动作，就可以在浏览器和服务器之间建立一条连接通道。且此连接会保持在活动状态，你可以使用javascript来向连接写入或从中接收数据，就像在使用一个常规的TCP Socket一样。它解决了Web实时化的问题，相比传统HTTP有如下好处：

• 一个Web客户端只建立一个TCP连接
• Websocket服务端可以推送(push)数据到web客户端.
• 有更加轻量级的头，减少数据传送量

WebSocket URL的起始输入是ws://或是wss://（在SSL上）。下图展示了WebSocket的通信过程，一个带有特定报头的HTTP握手被发送到了服务器端，接着在服务器端或是客户端就可以通过JavaScript来使用某种套接口（socket），这一套接口可被用来通过事件句柄异步地接收数据。

5 WebSocket原理

WebSocket的协议颇为简单，在第一次handshake通过以后，连接便建立成功，其后的通讯数据都是以”\\x00″开头，以”\\xFF”结尾。在客户端，这个是透明的，WebSocket组件会自动将原始数据“掐头去尾”。

浏览器发出WebSocket连接请求，然后服务器发出回应，然后连接建立成功，这个过程通常称为“握手” (handshaking)。

在请求中的"Sec-WebSocket-Key"是随机的，对于整天跟编码打交道的程序员，一眼就可以看出来：这个是一个经过base64编码后的数据。服务器端接收到这个请求之后需要把这个字符串连接上一个固定的字符串：

258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11

即：f7cb4ezEAl6C3wRaU6JORA==连接上那一串固定字符串，生成一个这样的字符串：

f7cb4ezEAl6C3wRaU6JORA==258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11

对该字符串先用 sha1安全散列算法计算出二进制的值，然后用base64对其进行编码，即可以得到握手后的字符串：

rE91AJhfC+6JdVcVXOGJEADEJdQ=

将之作为响应头Sec-WebSocket-Accept的值反馈给客户端。

6 Go实现WebSocket

Go语言标准包里面没有提供对WebSocket的支持，但是在由官方维护的go.net子包中有对这个的支持，你可以通过如下的命令获取该包：

go get golang.org/x/net/websocket

WebSocket分为客户端和服务端，接下来我们将实现一个简单的例子:用户输入信息，客户端通过WebSocket将信息发送给服务器端，服务器端收到信息之后主动Push信息到客户端，然后客户端将输出其收到的信息，客户端的代码如下：

<html>
<head></head>
<body>
	<script type="text/javascript">
		var sock = null;
		var wsuri = "ws://127.0.0.1:1234";

		window.onload = function() 

			console.log("onload");

			sock = new WebSocket(wsuri);

			sock.onopen = function() 
				console.log("connected to " + wsuri);
			

			sock.onclose = function(e) 
				console.log("connection closed (" + e.code + ")");
			

			sock.onmessage = function(e) 
				console.log("message received: " + e.data);
			
		;

		function send() 
			var msg = document.getElementById('message').value;
			sock.send(msg);
		;
	</script>
	<h1>WebSocket Echo Test</h1>
	<form>
		<p>
			Message: <input id="message" type="text" value="Hello, world!">
		</p>
	</form>
	<button onclick="send();">Send Message</button>
</body>
</html>

可以看到客户端JS，很容易的就通过WebSocket函数建立了一个与服务器的连接sock，当握手成功后，会触发WebScoket对象的onopen事件，告诉客户端连接已经成功建立。客户端一共绑定了四个事件。

• 1）onopen 建立连接后触发
• 2）onmessage 收到消息后触发
• 3）onerror 发生错误时触发
• 4）onclose 关闭连接时触发

我们服务器端的实现如下：

package main

import (
	"golang.org/x/net/websocket"
	"fmt"
	"log"
	"net/http"
)

func Echo(ws *websocket.Conn) 
	var err error

	for 
		var reply string

		if err = websocket.Message.Receive(ws, &reply); err != nil 
			fmt.Println("Can't receive")
			break
		

		fmt.Println("Received back from client: " + reply)

		msg := "Received:  " + reply
		fmt.Println("Sending to client: " + msg)

		if err = websocket.Message.Send(ws, msg); err != nil 
			fmt.Println("Can't send")
			break
		
	


func main() 
	http.Handle("/", websocket.Handler(Echo))

	if err := http.ListenAndServe(":1234", nil); err != nil 
		log.Fatal("ListenAndServe:", err)
	

当客户端将用户输入的信息Send之后，服务器端通过Receive接收到了相应信息，然后通过Send发送了应答信息。