前言

在互联网发达的时代里,我们的开发过程中,很多场景几乎都需要跟网络打交道,数据库连接、redis连接、nginx转发、RPC服务等等,这个服务器软件的底层实现本质都是网络编程,这也是为什么很多公司在面试的时候都会问到计算机网络。诚然,在正常开发的过程下,几乎不会去自己编写一个完整的服务器,但是,在开发中理解一些概念性的知识却非常有用,甚至在排查一下稀奇古怪的网络错误的时候,TCP/IP协议可以发挥巨大的用处。如果在排查奇怪的问题时,你把学到的网络知识发挥了用途,那么你在公司的前景就不用多说了,而且,作为一个有追求的程序员,不能仅仅满足于业务开发,底层的计算机原理也要经常巩固。毕竟基础知识真的非常重要。

这里强调一次,不是说学了网络编程就要去做服务器开发,而是了解网络编程的基础,会有利于提高平时开发调试问题的能力以及理解问题的深度。

学习网络编程是很有必要的,现在市面上有很多书籍和博客,大家也读了很多,But,程序员都是以动手为主,不能仅限于理论知识,需要动手实践来体验当中的一些坑或者难点,解决遇到的难点和坑会使你成长一大步。在我开来,指导别人需要在自己懂的前提下,去告诉别人是怎么做的,通过一个最简单的demo来指导,然后再让他人去深入,而不是一股脑地为对方注入一些理论上的知识。

网络交互的本质

抛开一切术语来说,其实网络交互的本质就是一次通信。

对于旧时代人而言,一开始的通信方式是写信、飞鸽传书,之后就是电话,而服务器之间的通信就通过网络来进行,而在通信过程中,最需要掌握的就是如何建立连接,然后确保连接成功,如何在网络中传递数据,数据传递的格式是怎样的(协议),等等。

网络通信要解决的首要问题是如何唯一地标示一个通信的主体,比如网络上的两台服务器,如果无法唯一地标示两台服务器,那么就无法建立唯一的连接,通信自然也就无从谈起;再比如网络上的两个服务:两个用户使用微信通信,如果不能唯一标示两个微信客户端应用,A想发给B的消息却发送到C了,那么用户的通信就会变得混乱。

通信

在机器上,我们通过进程ID来唯一标识一个进程,在网络中,ip地址唯一标识了网站中的一台计算机,而服务的端口号则唯一标识了计算机上的一个应用服务,IP地址+端口则能唯一标识网络中通信的唯一一个通信主体。

唯一标识通信载体

另一个问题就是通信的实现,通过什么样的方式、使用什么协议可以完成一次通信呢?这就是TCP/IP做的事情,要了解通信的实现,就需要学习socket以及它的相关api。

socket介绍

socket直译的意思就是网络套接字, 是一种操作系统提供的进程间通信机制。下面是从维基百科参考的解释:

在操作系统中,通常会为应用程序提供一组应用程序接口(API),称为套接字接口(英语:socket API)。应用程序可以通过套接字接口,来使用网络套接字,以进行数据交换。最早的套接字接口来自于4.2 BSD,因此现代常见的套接字接口大多源自Berkeley套接字(Berkeley sockets)标准。在套接字接口中,以IP地址及通信端口组成套接字地址(socket address)。远程的套接字地址,以及本地的套接字地址完成连线后,再加上使用的协议(protocol),这个五元组(five-element tuple),作为套接字对(socket pairs),之后就可以彼此交换数据。例如,在同一台计算机上,TCP协议与UDP协议可以同时使用相同的port而互不干扰。 操作系统根据套接字地址,可以决定应该将数据送达特定的进程或线程。这就像是电话系统中,以电话号码加上分机号码,来决定通话对象一般。

个人的理解,socket就是操作系统用于定义操作计算机网络通信的一个媒介。

socketAPI

对于一次TCP连接而言,建立连接主要通过socket、bind、listen、accept这些API,整个流程如下图所示:

TCP连接

下面简单介绍下这些API的用法和函数参数的含义,更详细的操作可以直接读man page文档

socket(创建一个用于通信的节点)

int socket(int domain, int type, int protocol);

参数

domain:指定通信的域,选择通信的协议族,比较常见的有:AF_INET(代表ipv4)、AF_INET6(代表ipv6)等等,这个参数指定了ip地址的格式。

type:指定通信的方式,传递数据的方式,比较常见的有:SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM。

protocol:指定通信的协议,常见的有IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP、IPPRO_SCTP。

返回值:int

函数的返回值是文件描述符,该文件描述符是一个正整数,唯一标识服务端与某客户端的连接,服务端和客户端可以通过此连接进行通信。出错情况下,会返回-1,并设置errno,可以通过errno获得出错信息。

bind(将生成的文件描述符绑定到需要监听的端口)

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数

sockfd:通过socket函数返回的文件描述符

addr:指定需要监听的地址,地址包含了ip和端口,该结构体定义如下:

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;
    char sa_data[14];
}

实际上,在调用bind函数时传递的参数定义是struct sockaddr_in,定义如下:

struct sockaddr_in {
    short int sin_family; /* 协议族,在socket编程中基本为AF_INET */
    unsigned short int sin_port; /* 端口号r */
    struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */
    unsigned char sin_zero[8]; /* 空字节,为了让sockaddr和sockaddr_in有相同的字节大小 */
};

sockaddr_in结构体清楚定义了ip地址和端口,而socketaddr结构体则是将ip地址和端口号捆绑在一起保存在data了,因此使用sockaddr_in进行初始化可以分开存储ip地址和结构体,也让代码看起来更加清晰,之后可以通过类型转换传递到bind函数。

addrlen:第二个参数的大小。

返回值:int

成功返回0,出错情况下,会返回-1,并设置errno,可以通过errno获得出错信息。

listen(服务端侧使用,开始监听已经建立完连接的socket)

int listen(int sockfd, int backlog)

参数

sockfd:指向socket的文件描述符

backlog:指定请求数量缓冲区长度,如果请求数量超过backlog的大小,客户端会收到报错信息。

返回值:int

成功返回0,出错情况下,会返回-1,并设置errno,可以通过errno获得出错信息。

connect(客户端请求连接服务端)

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t socklen);

参数含义与bind相同。

返回值:int

成功返回0,出错情况下,会返回-1,并设置errno,可以通过errno获得出错信息。

accept(接收请求的到来)

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *socklen);

accept参数的含义与bind类似,有一个不一样的是socklen,是一个引用传递方式的参数,调用方需要默认的长度,即参数addr的长度,函数调用成功后,会将真实的大小写到socklen。

close(关闭打开的文件描述符)

int close(int fd);

参数

fd:文件描述符。

linux I/O API

建立连接后,就需要开始传递数据进行通信,比较常用的I/O api有read、write、recv、send。

read(从文件描述符读取count字节的数据,并保存到buf)

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数 fd:已经打开的文件描述符

buf:保存读取数据的指针

count:要读取的数据字节大小,不能为0

返回值 int

如果成功,返回已经读取的字节大小,0表示到达文件结尾,-1表示错误。

write(写入在buf中count个字节的数据到打开的文件描述符fd中)

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数 fd:已经打开的文件描述符

buf:保存数据的指针

count:要写入的数据字节大小

返回值:如果成功,返回写入的字节大小,返回的值比count小不算一种错误,如果出错,返回-1

语言基础

本次的demo选用的都是C语言,无可否认,使用C语言编写服务器真的特别麻烦。但是个人比较喜欢C语言(虽然C语言比较水,但就是喜欢它),觉得它是一门特别优秀的语言,而且C语言最接近计算机底层的操作,程序出现各种错误和内存操作都需要程序员去考虑,涉及到的内存细节也更多,这些情况在更高级比如Java、Go这些语言里是很少能见到的,这样一来,除了能通过此练习巩固编程思维之外,还能了解到高级语言的API是如何封装的,怎么考虑异常情况等等,如果是自己设计的话,会怎么编写出强壮且维护性强的API。因此,学习服务器编程,需要准备一些C语言的基础,当然,一边练习一边学习也是可以的。

小结

服务器准备 本次主要描述了为什么需要学习网络编程,同时介绍了网络交互的本质,以及计算机通信的方式,还有一些常用到的API。通过了解这些介绍,可以着手去学习基础知识,为之后编写服务器打下坚实的基础。 再次强调,网络基础真的很重要,只要开发工作涉及到网络交互,那么不管是开发还是调试功能,都会起到非常重要的作用。

原创文章,文笔有限,才疏学浅,文中若有不正之处,万望告知。

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