08.1. Socket 编程

在很多底层网络应用开发者的眼里一切编程都是 Socket,话虽然有点夸张,但却也几乎如此了,现在的网络编程几乎都是用 Socket 来编程。你想过这些情景么?我们每天打开浏览器浏览网页时,浏览器进程怎么和 Web 服务器进行通信的呢?当你用 QQ 聊天时,QQ 进程怎么和服务器或者是你的好友所在的 QQ 进程进行通信的呢?当你打开 PPstream 观看视频时,PPstream 进程如何与视频服务器进行通信的呢? 如此种种,都是靠 Socket 来进行通信的,以一斑窥全豹,可见 Socket 编程在现代编程中占据了多么重要的地位,这一节我们将介绍 Go 语言中如何进行 Socket 编程。

什么是 Socket?

Socket 起源于 Unix,而 Unix 基本哲学之一就是“一切皆文件”,都可以用“打开 open –> 读写 write/read –> 关闭 close”模式来操作。Socket 就是该模式的一个实现,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。

常用的 Socket 类型有两种:流式 Socket(SOCK_STREAM)和数据报式 Socket(SOCK_DGRAM)。流式是一种面向连接的Socket,针对于面向连接的 TCP 服务应用;数据报式Socket是一种无连接的 Socket,对应于无连接的 UDP 服务应用。

Socket 如何通信

网络中的进程之间如何通过 Socket 通信呢?首要解决的问题是如何唯一标识一个进程,否则通信无从谈起!在本地可以通过进程 PID来唯一标识一个进程,但是在网络中这是行不通的。其实 TCP/IP 协议族已经帮我们解决了这个问题,网络层的 “ip 地址” 可以唯一标识网络中的主机,而传输层的 “协议+端口” 可以唯一标识主机中的应用程序(进程)。这样利用三元组(ip 地址,协议,端口)就可以标识网络的进程了,网络中需要互相通信的进程,就可以利用这个标志在他们之间进行交互。请看下面这个 TCP/IP 协议结构图

图 8.1 七层网络协议图

使用 TCP/IP 协议的应用程序通常采用应用编程接口:UNIX BSD 的套接字(socket)和 UNIX System V 的 TLI(已经被淘汰),来实现网络进程之间的通信。就目前而言,几乎所有的应用程序都是采用 socket,而现在又是网络时代,网络中进程通信是无处不在,这就是为什么说 “一切皆 Socket”。

Socket 基础知识

通过上面的介绍我们知道 Socket 有两种:TCP Socket 和 UDP Socket,TCP 和 UDP 是协议,而要确定一个进程的需要三元组,需要 IP 地址和端口。

IPv4 地址

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),发展至今已经使用了 30 多年。

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,我们公司目前很多服务器的 IP 都是一个宝贵的资源。

地址格式类似这样:127.0.0.1 172.122.121.111

IPv6 地址

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:2002:c0e8:82e7:0:0:0:c0e8:82e7

Go 支持的 IP 类型

在 Go的 net 包中定义了很多类型、函数和方法用来网络编程,其中 IP 的定义如下:


type IP []byte

net 包中有很多函数来操作 IP,但是其中比较有用的也就几个,其中 ParseIP(s string) IP 函数会把一个 IPv4 或者 IPv6 的地址转化成 IP 类型,请看下面的例子:


package main
import (
    "net"
    "os"
    "fmt"
)
func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s ip-addr\n", os.Args[0])
        os.Exit(1)
    }
    name := os.Args[1]
    addr := net.ParseIP(name)
    if addr == nil {
        fmt.Println("Invalid address")
    } else {
        fmt.Println("The address is ", addr.String())
    }
    os.Exit(0)
}

执行之后你就会发现只要你输入一个 IP 地址就会给出相应的 IP 格式

TCP Socket

当我们知道如何通过网络端口访问一个服务时,那么我们能够做什么呢?作为客户端来说,我们可以通过向远端某台机器的的某个网络端口发送一个请求,然后得到在机器的此端口上监听的服务反馈的信息。作为服务端,我们需要把服务绑定到某个指定端口,并且在此端口上监听,当有客户端来访问时能够读取信息并且写入反馈信息。

在 Go 语言的 net 包中有一个类型 TCPConn,这个类型可以用来作为客户端和服务器端交互的通道,他有两个主要的函数:


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

TCPConn 可以用在客户端和服务器端来读写数据。

还有我们需要知道一个 TCPAddr 类型,他表示一个 TCP 的地址信息,他的定义如下:


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"。

TCP client

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段通过各自拥有的 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)
  • 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)
  • laddr 表示本机地址,一般设置为 nil
  • raddr 表示远程的服务地址

接下来我们写一个简单的例子,模拟一个基于 HTTP 协议的客户端请求去连接一个 Web 服务端。我们要写一个简单的 http 请求头,格式类似如下:

"HEAD / HTTP/1.0\r\n\r\n"

从服务端接收到的响应信息格式可能如下:


HTTP/1.0 200 OK
ETag: "-9985996"
Last-Modified: Thu, 25 Mar 2010 17:51:10 GMT
Content-Length: 18074
Connection: close
Date: Sat, 28 Aug 2010 00:43:48 GMT
Server: lighttpd/1.4.23

我们的客户端代码如下所示:


package main

import (
    "fmt"
    "io/ioutil"
    "net"
    "os"
)

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]
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4", service)
    checkError(err)
    conn, err := net.DialTCP("tcp", nil, tcpAddr)
    checkError(err)
    _, err = conn.Write([]byte("HEAD / HTTP/1.0\r\n\r\n"))
    checkError(err)
    result, err := ioutil.ReadAll(conn)
    checkError(err)
    fmt.Println(string(result))
    os.Exit(0)
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

通过上面的代码我们可以看出:首先程序将用户的输入作为参数 service 传入 net.ResolveTCPAddr 获取一个 tcpAddr, 然后把tcpAddr 传入 DialTCP 后创建了一个 TCP 连接 conn,通过 conn 来发送请求信息,最后通过 ioutil.ReadAllconn 中读取全部的文本,也就是服务端响应反馈的信息。

TCP server

上面我们编写了一个 TCP 的客户端程序,也可以通过 net 包来创建一个服务器端程序,在服务器端我们需要绑定服务到指定的非激活端口,并监听此端口,当有客户端请求到达的时候可以接收到来自客户端连接的请求。net 包中有相应功能的函数,函数定义如下:


func ListenTCP(network string, laddr *TCPAddr) (*TCPListener, error)
func (l *TCPListener) Accept() (Conn, error)

参数说明同 DialTCP 的参数一样。下面我们实现一个简单的时间同步服务,监听 7777 端口


package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
)

func main() {
    service := ":7777"
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4", service)
    checkError(err)
    listener, err := net.ListenTCP("tcp", tcpAddr)
    checkError(err)
    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        daytime := time.Now().String()
        conn.Write([]byte(daytime)) // don't care about return value
        conn.Close()                // we're finished with this client
    }
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

上面的服务跑起来之后,它将会一直在那里等待,直到有新的客户端请求到达。当有新的客户端请求到达并同意接受 Accept 该请求的时候他会反馈当前的时间信息。值得注意的是,在代码中 for 循环里,当有错误发生时,直接 continue 而不是退出,是因为在服务器端跑代码的时候,当有错误发生的情况下最好是由服务端记录错误,然后当前连接的客户端直接报错而退出,从而不会影响到当前服务端运行的整个服务。

上面的代码有个缺点,执行的时候是单任务的,不能同时接收多个请求,那么该如何改造以使它支持多并发呢?Go 里面有一个goroutine 机制,请看下面改造后的代码


package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
)

func main() {
    service := ":1200"
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4", service)
    checkError(err)
    listener, err := net.ListenTCP("tcp", tcpAddr)
    checkError(err)
    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        go handleClient(conn)
    }
}

func handleClient(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()
    daytime := time.Now().String()
    conn.Write([]byte(daytime)) // don't care about return value
    // we're finished with this client
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

通过把业务处理分离到函数 handleClient,我们就可以进一步地实现多并发执行了。看上去是不是很帅,增加 go 关键词就实现了服务端的多并发,从这个小例子也可以看出 goroutine 的强大之处。

有的朋友可能要问:这个服务端没有处理客户端实际请求的内容。如果我们需要通过从客户端发送不同的请求来获取不同的时间格式,而且需要一个长连接,该怎么做呢?请看:


package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
    "strconv"
    "strings"
)

func main() {
    service := ":1200"
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4", service)
    checkError(err)
    listener, err := net.ListenTCP("tcp", tcpAddr)
    checkError(err)
    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        go handleClient(conn)
    }
}

func handleClient(conn net.Conn) {
    conn.SetReadDeadline(time.Now().Add(2 * time.Minute)) // set 2 minutes timeout
    request := make([]byte, 128) // set maxium request length to 128B to prevent flood attack
    defer conn.Close()  // close connection before exit
    for {
        read_len, err := conn.Read(request)

        if err != nil {
            fmt.Println(err)
            break
        }

            if read_len == 0 {
                break // connection already closed by client
            } else if strings.TrimSpace(string(request[:read_len])) == "timestamp" {
                daytime := strconv.FormatInt(time.Now().Unix(), 10)
                conn.Write([]byte(daytime))
            } else {
                daytime := time.Now().String()
                conn.Write([]byte(daytime))
            }

            request = make([]byte, 128) // clear last read content
    }
}

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

在上面这个例子中,我们使用 conn.Read() 不断读取客户端发来的请求。由于我们需要保持与客户端的长连接,所以不能在读取完一次请求后就关闭连接。由于 conn.SetReadDeadline() 设置了超时,当一定时间内客户端无请求发送,conn 便会自动关闭,下面的 for 循环即会因为连接已关闭而跳出。需要注意的是,request 在创建时需要指定一个最大长度以防止 flood attack;每次读取到请求处理完毕后,需要清理 request,因为 conn.Read() 会将新读取到的内容 append 到原内容之后。

控制 TCP 连接

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。

更多的内容请查看 net 包的文档。

UDP Socket

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:


package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
)

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 ", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

我们来看一下 UDP 服务器端如何来处理:


package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
)

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 ", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

总结

通过对 TCP 和 UDP Socket 编程的描述和实现,可见 Go 已经完备地支持了 Socket 编程,而且使用起来相当的方便,Go 提供了很多函数,通过这些函数可以很容易就编写出高性能的 Socket 应用。

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