GO socket编程

長夜難明
202 阅读6分钟

网络通信过程

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  • DMA：网卡和磁盘数据拷贝到内存流程比较固定，不涉及到运算操作，且非常耗时。在磁盘嵌入一个DMA芯片，完成上述拷贝工作，把CPU解脱出来，让CPU专注于运算。
  • mmap：用户空间和内核空间映射同一块内存空间，从而达到省略将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间的操作，用户空间通过映射直接操作内核缓冲区的数据。

网络I/O

  • 阻塞式网络I/O image.png
  • 非阻塞式网络I/O image.png
  • 多路复用网络I/O image.png

socket通信

  • socket 把复杂的传输层协议封装成简单的接口，使应用层可以像读写文件一样进行网络数据的传输。

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  • socket 通信过程 image.png

网络模型

OSI参考模型

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TCP/IP模型

  • MSS(Maximum Segment Size, 最大分段大小)：传输层数据大小的上限
  • MTU(Maximum Transmit Unit, 最大传输单元)：网络接口层数据大小的上限
  • MSS = MTU - IP 首部-TCP 首部，MTU 视网络接口层的不同而不同。
  • TCP在建立连接时通常需要协商双方的MSS 值。应用层传输的数据大于MSS 时需要分段。

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TCP协议

报文格式

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TCP 首部

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  • 前20个字节是固定的，后面还4N个可选字节（TCP选项）。
  • 数据偏移：TCP数据部分距TCP开头的偏移量（一个偏移量是4个字节，4b能表示0-15），亦即TCP首部的长度。所以TCP首部的最大长度是15*4=60个字节，即TCP选项最多有40个字节。
  • 端口在tcp层指定，ip在IP层指定。端口占2个字节，则最大端口号为2^16-1=65535。
  • 由于应用层的数据被分段了，为了在接收端对数据按顺序重组，需要为每段数据编个“序号”。
  • TCP 规定在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK 设置为1。

TCP 连接建立

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  • 第一次握手：TCP 首部SYN = 1，初始化一个序号 = J。SYN 报文段不能携带数据。
  • 第二次握手：TCP 首部SYN = 1，ACK = 1，确认号 = J + 1，初始化一个序号=K。此报文同样不携带数据。
  • 第三次握手：SYN = 1，ACK = 1，序号 = J + 1，确认号 = K + 1。此次一般会携带真正需要传输的数据。
  • 确认号：即希望下次对方发过来的序号值。
  • SYN Flood 攻击始终不进行第三次握手，属于DDOS攻击的一种。

TCP 释放连接

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  • TCP 的连接是全双工（可以同时发送和接收）的连接，因此在关闭连接的时候，必须关闭传送和接收两个方向上的连接。
  • 第一次挥手：FIN = 1，序号 = M
  • 第二次挥手：ACK = 1，序号 = M + 1
  • 第三次挥手：FIN = 1，序号 = N
  • 第四次挥手：ACK = 1，序号 = N + 1
  • 从TIME_WAIT进入CLOSED需要经过2个MSL（Maxinum Segment Lifetime，报文最大生存时间），RFC793建议MSL = 2分钟。

TCP 编程

  • ResolveTCPAddr(network string, address string) (*net.TCPAddr, error)
    • 将主机地址解析为相应的TCP地址
    • 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）。
    • addr表示域名或者IP地址
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4", "127.0.0.1:5656")
  • ListenTCP(network string, laddr *net.TCPAddr) (*net.TCPListener, error)
    • network 选择同上
    • 如果laddr 的端口字段为0，函数将选择一个当前可用的端口
    listener, err := net.ListenTCP("tcp4", tcpAddr)
  • (*net.TCPListener).Accept() (net.Conn, error)：阻塞到有客户端请求连接
  • conn 接口：该接口代表通用的面向流的网络连接。多个线程可能会同时调用同一个Conn的方法。 
    type Conn interface {
    // Read/Write从连接中读取/写入数据，方法可能会在超过某个固定时间限制后超时返回错误，该错误的Timeout()方法返回真
    Read(b []byte) (n int, err error)
    Write(b []byte) (n int, err error)
    // Close方法关闭该连接并会导致任何阻塞中的Read或Write方法不再阻塞并返回错误
    Close() error
    // 返回本地网络地址
    LocalAddr() Addr
    // 返回远端网络地址
    RemoteAddr() Addr
    // 设定该连接的读写deadline，等价于同时调用SetReadDeadline和SetWriteDeadline
    // deadline是一个绝对时间，超过该时间后I/O操作就会直接因超时失败返回而不会阻塞
    // deadline对之后的所有I/O操作都起效，而不仅仅是下一次的读或写操作
    // 参数t为零值表示不设置期限
    SetDeadline(t time.Time) error
    
    SetReadDeadline(t time.Time) error
// 即使写入超时，返回值n也可能>0，说明成功写入了部分数据
SetWriteDeadline(t time.Time) error
}
  • DialTCP(network string, laddr *net.TCPAddr, raddr *net.TCPAddr) (*net.TCPConn, error)
    • network 选择同上
    • laddr 为localAddr，可为nil。raddr 为remoteAddr
  • func ioutil.ReadAll(r io.Reader) ([]byte, error)
    • io.Reader 为conn
    • 从conn中读取所有内容，直到遇到error(比如连接关闭)或EOF。
  • 长连接：Server 建立连接后进入死循环接收消息，直到Client 断开连接 
    for {     //只要client不关闭连接，server就得随时待命
	n, err := conn.Read(request) //同步IO模式，如果socket上没有数据可读，该行代码会阻塞
	if err == io.EOF {           //对方关闭了连接
		break
	}
	fmt.Printf("receive request %s\n", string(request[:n]))
}
  • 请求和响应内容若为Struct ，需要进行序列化和反序列化 Marshal/Unmarshal
  • TCP是面向字节流的，双方可以约定分隔符

UDP 协议

UDP 首部

  • UDP首部占8个字节，所以UDP报文长度最小是8B。
  • 不需要建立连接，直接收发数据，效率很高
  • 面向报文。对应用层交下来的报文，既不合并也不拆分，直接加上边界交给IP层。TCP是面向字节流，TCP有一个缓冲，当应用程序传送的数据块太长，TCP就可以把它划分短一些再传送；如果应用程序一次只发送一个字节，TCP也可以等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。
  • 从机制上不保证顺序（在IP层要对数据分段），可能会丢包（检验和如果出差错就会把这个报文丢弃掉）。在内网环境下分片乱序和数据丢包极少发生。
  • 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。 image.png

UDP 编程

  • UDP 是面向报文的，一次read 刚好读好一条数据。如果由于buffer 小导致读不完一条完整的消息，则后半部分下次read 也读不到了
  • 函数调用与TCP 编程类似，不做过多解释
func net.Dial(network string, address string) (net.Conn, error)

  network 指定为udp，建立udp连接（伪连接，UDP无连接）。

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

  network同上

func net.ResolveUDPAddr(network string, address string) (*net.UDPAddr, error)

  解析成udp地址。

func net.ListenUDP(network string, laddr *net.UDPAddr) (*net.UDPConn, error)

  直接调用Listen就返回一个udp连接。

func (*net.UDPConn).ReadFromUDP(b []byte) (int, *net.UDPAddr, error)

  读数据，会返回remote的地址。

func (*net.UDPConn).WriteToUDP(b []byte, addr *net.UDPAddr) (int, error)

  写数据，需要指定remote的地址。

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