张大胖的socket

Posted 2021-04-25 码农翻身

张大胖研究TCP/IP已经有段时间了。

他终于明白了所谓IP层就是把数据分组从一个主机跨越千山万水搬运到另外一主机，  并且这搬运服务一点都不可靠， 丢包、重复、失序可以说是家常便饭， 怪不得说是“尽力而为”， 基本上无所作为。

脏活累活只好让TCP来做了， 在两个主机的应用（进程）之间通过失败重传来实现可靠性的传输。

张大胖经常感慨：这建立一个TCP连接可是相当的复杂， 我的程序得先和远端的服务器打个招呼， 然后它再给我打个招呼确认， 我还得再给它确认下。  这还不算完， 我们的招呼中还得各自带上各自的序号， 这将来传输真正的数据时用到。

具体的传输就更麻烦了， 什么滑动窗口，什么累积确认、分组缓存、流量控制， 简直不是人做的事情。

到了断开连接的时候， 还得考虑友好分手！

可是领导竟然让张大胖用这个超级复杂的TCP协议来编程， 来设计一个客户端和服务器端的通信系统。

张大胖掂量了下自己， 觉得肯定搞不定， 于是赶紧向自己的好基友，编程大神Bill求救，  Bill 在电话里说： “这很简单啊，你去看看TCP/IP协议的RFC, 然后用C语言编程实现不就行了吗。”

张大胖心想这等于啥也没说， 继续“跪求” 。  Bill 终于说：“等着吧， 我下周给你”

Socket

周一， Bill果然带着7、8张软盘来找张大胖了， 把软盘的程序分别Copy到了两个电脑里， 一个模拟客户端， 一个模拟服务器。  很快程序运行起来了， 两个电脑可以通过TCP通信了。

张大胖说： “大神， 你是怎么做到的？”

Bill说：“TCP协议的确很复杂， 我们不能要求每个程序员都去实现建立连接的3次握手， 累积确认，分组缓存， 这些应该是属于操作系统内核的部分， 没必要重复开发， 但是对于应用程序来讲， 操作系统需要抽象出一个概念， 让上层应用去编程。 “

“什么概念？”

“socket”

”为啥叫socket? “

"一个比喻而已， 就像插座一样， 一个插头插进插座， 建立了连接。 不过我设计这个socket  可以理解为 (客户端IP, 客户端Port,  服务器端IP, 服务器端Port)， 对了， Port就是端口， 通俗点讲就是一个数字而已"

“好像不用port就可以吧，  因为我们这是两个机器之间的通信， IP是不是就够了？”

Bill 说：“看来你忘了， TCP是两个进程之间的通信， 客户端上可以有很多进程同时访问多个服务器， 服务器上也有多个进程对外提供服务， 肯定要区分开啊”

张大胖不好意思的说： “原来端口号就是用来区分进程的， 这样IP层发过来的数据包， 到达TCP层以后就可以分发给各个应用程序了。 ”

“对的， 这叫多路复用。 一般来说， 服务器端都是被动访问的， 所以大家需要知道它提供服务的端口号， 要不然怎么连接？  例如80， 443等， 就是所谓知名端口号； 而客户端访问服务器的时候，自己的端口号可以随机生成一个， 只要不和别的应用冲突即可。”

Socket编程

张大胖问道： “那具体怎么使用你的Socket来编程？ ”

“这要分为客户端和服务器端，两者不一样， 对客户端来讲很简单， 你需要创建一个socket， 然后向服务器发起连接，  连接上以后就可以发送，接收数据了， 你看看这段伪代码“

"恩， 抽象以后果然是不一样， 那些烦人的细节都被隐藏了， 只剩下一些概念性的东西， 用起来很清爽，   这个clientfd  我猜就是一个像文件描述符那样的东西吧？  打开文件就会有一个"

“对的， 很好的类比， 注意，在上面的伪码中，没有出现客户端的ip和端口， 系统可以自动获得IP， 也可以自动分配端口。 还有， 看到那个connect 函数没有， 其实就是在和服务器发起三次握手呢。 ”

“那服务器怎么响应？”

“服务器端要复杂一些， 你想想看， 第一， 服务器是被动的， 所以它启动以后， 需要监听客户端发起的连接， 第二， 服务器要应付很多的客户端发起连接， 所以它一定得各个socket给区分开了， 要不就乱了套了， 伪代码是这个样子的：”

张大胖说： “果然是复杂多了， listenfd ,从名称看就是为了要监听而创建的socket描述符吧， bind 是干嘛？  嗯， 我猜是为了声明说我要占用这个端口了啊， 你们都别用了，  listen函数才是真正开始监听了。   

慢着，我赛，  接下来是个死循环啊， 啊对对，服务器端一直提供服务， 永不停歇。   可是这个accept是干嘛， 为什么使用了listenfd , 然后返回了一个新的connfd ???”

Bill满意的说： “不错，思考就有进步， 可是你忘了我刚说的东西了， 服务器要区分开各个客户端， 怎么区分呢？  那只有用一个新的socket来表示喽， 你看后面的操作都是基于connfd 来做的。  还有 这个accept 相当于和客户端的connect 一起完成了TCP的三次握手 ！ 至于之前的listenfd ， 它只起到一个大门的作用了， 意思是说，欢迎敲门， 进门之后我将为你生成一个独一无二的socket描述符！  ”

“有道理， 大神果然是大神， 考虑的非常全面啊， 不过似乎有个漏洞，你一开始说socket指的是 (IP, Port),   现在你已经有了一个listenfd 的socket, 端口是80  然后每次客户端发起连接还要创建新的connfd,  因为80端口已经被占用，难道服务器端会为每个连接都创建新的端口吗？”

"这是个好问题啊"  Bill 说 “其实新创建的connfd 并没有使用新的端口号，也是用的80,  可以这么理解，这个socket描述符指向一个数据结构， 例如 listenfd 指向的结构是这样的：”

“而一旦accept 新的连接， 新的connfd 就会生成, 像下面的表格， 就生成了两个connfd ,  它们俩服务器端的ip和port都是想同的， 但是客户端的IP和Port是不同的， 自然就可以区分开来了”

张大胖说：“唉， 这底层做了这么多工作啊，  看来socket 必须得通过 (客户端IP, 客户端Port,  服务器端IP, 服务器端Port) 来确定”

“其实这个四元组还不太准确， 因为咱们说了半天，都是TCP协议的socket,  因为你们领导只要你实现这一个，   你看过UDP没有？  就是那个无连接的运输层协议， 也有socket, 所以更准确的定义的话，还得加上协议这一项， 变成五元组 (协议， 客户端IP, 客户端Port,  服务器端IP, 服务器端Port) ”

“大神，咱们什么时候讲讲UDP的socket ? ”

"下次再说吧！"

题外话： 文中提到的Bill 是向 Bill Joy致敬，  这是一个天才程序员，主要工作包括BSD Unix操作系统， 实现TCP/IP协议栈， vi 编辑器，c shell ， NFC, SPARC处理器，jini等。

当年DARPA（美国国防部先进研究项目局）和一个叫做BBN的公司签署了一个合同，要把TCP/IP协议加入到Berkeley Unix当中， 当研究生Bill Joy 看到BBN写的TCP/IP实现时， 觉得非常差劲，拒绝把它加入内核， 后来干脆卷起袖子自己实现了一个高性能的TCP/IP栈， 这个协议栈至今是互联网的基石。

别人问他是怎么实现这么复杂的软件的， 这位大神说： “很简单啊， 你只需要看看协议， 然后把代码写出来就行了”

你看到的只是冰山一角， 更多精彩文章，尽在“ 码农翻身” 微信公众号， 回复消息" m"或" 目录" 查看更多文章

有心得想和大家分享？ 欢迎投稿 ！ 我的联系方式：微信：liuxinlehan  QQ: 3340792577

公众号：码农翻身

“码农翻身”公众号由工作15年的前IBM架构师创建，分享编程和职场的经验教训。

掘金是一个高质量的技术社区，从 Swift 到 React Native，性能优化到开源类库，让你不错过互联网开发的每一个技术干货。长按图片二维码识别或者各大应用市场搜索「掘金」，技术干货尽在掌握中。