從TCP到Socket，徹底理解網絡編程是怎么回事
進行程序開發的同學，無論Web前端開發、Web后端開發，還是搜索引擎和大數據，幾乎所有的開發領域都會涉及到網絡編程。比如我們進行Web服務端開發，除了Web協議本身依賴網絡外，通常還需要連接數據庫，而數據庫連接通常是通過網絡連接數據庫服務器，或者數據庫集群，如果負載太高還要搞個緩存集群。
我們在上學的時候基本學了網絡編程和網絡協議。但兩者之間的具體關系可能有些摸不到頭腦。這里我們首先重點介紹2個概念，一個概念是網絡編程，另外一個是協議。
我們知道網絡協議是一個分層的協議族，也就是是有一組協議構成，從下往上各自負責各自的功能。那什么是協議呢?協議的字面意思是共同計議，商議。簡單的理解其實就是多方進行溝通的規定。而網絡協議其實就是在網絡中多個計算節點進行交互、溝通的規定。如果根我們日常生活對比的話，協議可以理解為語言，比如漢語普通話。兩個人交流如果都用不通話，那么彼此都能理解對方表達的意圖。例如，一個人用四川話，而另外一個用浙江話，那溝通起來估計幾乎不太可能。網絡協議也是一樣的，通過對數據格式的規范化，從而使計算機之間能夠彼此明確對方的意圖。
下面本文介紹一下網絡編程，網絡編程也稱為socket編程，socket通常譯作“套接字”，但原意其實意譯應該為”接口“。也就是操作系統提供給開發人員進行網絡開發的API接口。這套接口通常可以參數的調整支持多種協議，包括TCP、UDP和IP等等。下面本文從套接字編程和協議兩方面分別詳細的進行介紹。
網絡編程
為了便于理解，本文先從具體的內容開始，也就是通過一個實例介紹一下網絡編程是怎么回事。
本文將以TCP協議為例介紹網絡編程和協議之前的關系。為了簡單，便于理解，本文以Python為例進行介紹，如果不了解Python編程語言關系也不大，下面代碼很容易理解。我們知道在網絡通信中無論是BS架構還是CS架構，通常分為服務端和客戶端，只不過BS架構中的瀏覽器就是客戶端。因此，本文的示例也包含服務端和客戶端2部分的代碼。代碼功能很簡單，就是實現客戶端和服務端發送字符串。
圖1 客戶端服務端通信模型
這個代碼清單是服務端的代碼，這段代碼的作用就是在服務端的某個端口建立監聽，并等待客戶端建立連接。完成連接建立后，等待客戶端發送數據，并將數據回傳給客戶端。
- #!/usr/bin/env python3
- #-*- coding:utf-8 -*-
- from socket import *
- from time import ctime
- host = ''
- port = 12345
- buffsize = 2048
- ADDR = (host,port)
- # 創建一個基于TCP協議的套接字
- tctime = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
- tctime.bind(ADDR)
- # 在指定的地址和端口監聽
- tctime.listen(3)
- while True:
- print('Wait for connection ...')
- tctimeClient,addr = tctime.accept()
- print("Connection from :",addr)
- while True:
- data = tctimeClient.recv(buffsize).decode()
- if not data:
- break
- tctimeClient.send(('[%s] %s' % (ctime(),data)).encode())
- tctimeClient.close()
- tctimeClient.close()
閱讀服務端的代碼可以看出主要包括，socket、bind、listen、accept、recv和send幾個。其中值得關注的是listen和accept，兩者分別用于監聽端口和接受客戶端的連接請求。
下面代碼清單是客戶端的實現，這里特別的地方是有一個connect函數，該函數實現與服務端建立連接。
- #!/usr/bin/env python3
- #-*- coding:utf-8 -*-
- from socket import *
- HOST ='localhost'
- PORT = 12345
- BUFFSIZE=2048
- ADDR = (HOST,PORT)
- tctimeClient = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
- tctimeClient.connect(ADDR)
- while True:
- data = input(">")
- if not data:
- break
- tctimeClient.send(data.encode())
- data = tctimeClient.recv(BUFFSIZE).decode()
- if not data:
- break
- print(data)
- tctimeClient.close()
通過上述示例代碼可以看出服務端通常是被動的，而客戶端則要主動一些。服務端程序建立對某個端口的監聽，等待客戶端的連接請求。客戶端向服務端發送連接請求，不出意外的情況下連接建立成功，這時客戶端和服務端之前就可以互發數據了。當然，在實際生產環境中意外是經常的，因此從協議和接口層面，需要處理各種意外，本文在協議部分將詳細介紹。
另外，本文實現了一個基本的客戶端和服務端通信的程序，這個模式的通信在實際生產中幾乎不再使用。在實際生產中為了提高數據傳輸和處理的效率，通常采用異步模式，這些內容超出了本文的介紹范圍，后續文章會逐漸介紹。
TCP協議詳解
前文說了網絡協議是網絡中不同計算機信息通信的語言，為了實現交互，這個語言就需要有一定的格式。本文以TCP協議為例進行介紹。
TCP協議是一個可靠的傳輸協議，其可靠性表現在2方面，一方面是保證數據包可以按照發送的順序到達，另外一方面是保證數據包一定程度的正確性(后文詳解為什么是一定程度上的正確性)。其可靠性的實現則基于2點技術，一點是具有一個CRC校驗，這樣如果數據包中的某些數據出現錯誤可以通過該校驗和發現;另外一點是每個數據包都有一個序號，這樣就能保證數據包的順序性，如果出現錯位的數據包可以請求重發。
既然說到了格式，那我們先看一下TCP數據包的數據格式。如下圖是TCP數據包的格式，包括原端口、目的端口、序列號和標識位等等內容，內容有些多，看著可能有點眼花。但從大的方面理解，這個數據包其實只包含2部分內容，一個是包頭，另外一個則是具體需要傳輸的數據。在TCP協議的控制邏輯中，包頭起著最為關鍵的作用，它是TCP協議中諸如建立連接、斷開連接、重傳和錯誤校驗等各種特性的基礎。
圖2 TCP數據包格式
包頭的其它信息的含義都比較明了，本文僅僅介紹幾個標志位(URG、ACK、PSH、RST、SYN和FIN)的含義。具體含義如下：
- ACK: 確認序號有效。
- RST：重置連接
- SYN：發起一個新連接
- FIN：釋放一個連接
連接的建立
TCP在具體傳輸數據之前需要建立連接。這里的連接并不是物理連接，物理連接基于底層的協議已經建立完成，而且TCP建立連接也是要假設底層連接已經成功，TCP的連接其實是一個虛擬的，邏輯的連接。簡單粗暴的理解，就是客戶端和服務端分別記錄了各自接受到的數據包的序號，并且將自身設置為某種狀態。在TCP協議中，連接的建立通常成為3次握手，從字面的概念可以看出，連接的建立需要經過3次確認的過程。
圖3 建立連接的3次握手
TCP協議3次握手的過程如圖所示，初始狀態客戶端和服務端都處于關閉狀態。主要過程分為3步：
- 客戶端發送預連接數據包： TCP的連接是由客戶端主動發起建立，客戶端會發送一個數據包(報文)給服務端，需要注意的是數據包中的SYN標識位為1。我們前文已經介紹，如果SYN為1，則說明為建立連接的數據包。同時，在該數據包中包含一個請求序列號，該序列號也是建立連接的依據。
- 服務端回復連接確認： 服務端確認可以建立連接(服務端不一定可以建立連接，因為系統中套接字的數量是有限的)的情況下會向客戶端發送一個應答數據包。在應答數據包中會將ACK標志位設置為1，表示為服務端應答數據包。同時，在應答數據包中會設置請求序列號和應答序列號的值，具體參考圖3.
- 客戶端回復連接確認： ***，客戶端再次發送一個連接確認數據包，告訴服務端連接建立成功。
從上面流程可以看出，連接的建立需要經過多次交互，這就是我們日常中所說的建立連接是高成本的操作。在實際生產環境中，為了應對這個問題，會減少連接建立的頻度，通常的做法是建立連接池，傳輸數據時直接從連接池中獲取連接，而不是新建連接。
有人可能覺得可以對建立連接的過程進行優化，比如將客戶端***一次的確認取消掉，覺得這個沒有卵用。對于正常情況確實沒有多大的作用，這里主要是應對異常情況。因為網絡拓撲是非常復雜的，特別是在廣域網中，有著數不清的網絡節點，因此會出現各種異常情況。因此，TCP協議在設計的時候必須要保證異常情況下的可靠性。
我們這里舉一個例子，就是連接請求超時的情況。假設客戶端向服務端發送一個連接請求，由于各種原因，請求一直沒有到達服務端，因此服務端也就沒有回復連接確認消息。客戶端連接超時，因此客戶端重新發送一個連接請求到服務端，這次比較順利，很快到達了，并且順利建立了連接。之后，前一個數據包經過長途跋涉最終還是到了服務端，服務端也向客戶端發送了回復數據包，服務端認為連接是建立成功的，并且會維持連接。但客戶端層面認為連接是超時的，因此將永遠不會關閉該連接。這樣就會造成服務端有殘留的資源，從而造成服務端資源浪費，久而久之可能會導致服務端無新連接資源可用。
另外一個需要說明的是客戶端和服務端的套接字都有相應的狀態，而且狀態會隨著連接的不同階段變化。初始狀態都是CLOSE，最終連接建立成功后都是ESTABLISHED,具體變化過程如圖3所示。后面本文會詳細介紹狀態變化情況。
傳輸數據
完成連接建立之后，客戶端和服務端就可以進行數據傳輸了。我們知道TCP是可靠的傳輸，那么傳輸的可靠性是通過什么來保證的呢?主要就是通過包頭中的校驗和、請求序列號和應答序列號(參考圖2)。
TCP數據內容的可靠性是通過校驗和保證的。TCP在發送數據時都會計算整個數據包的校驗和，并存儲在包頭的校驗和字段中。接收方會按照規則進行計算，從而確認接收到的數據是否是正確的。發送發計算校驗和的流程大概如下：
- 把偽首部、TCP包頭和TCP數據分為16為的字，并把TCP包頭中的校驗和字段置0
- 用反碼加法累加所有16位數字
- 對計算結果去反，將其填充到TCP包頭的校驗和字段
接收方將所有原碼相加，高位疊加，如果全為1則表示數據正確，否則說明數據有錯誤。
TCP數據包順序的可靠性是通過請求序列號和應答序列號保證的。在數據傳輸中的每個請求都會有一個請求序列號，而在接收方接收到數據后會發送一個應答序列號，這樣發送方就能知道數據是否被正確接收，而接收方也能知道數據是否出現亂序，從而保證數據包的順序性。
斷開連接
TCP關閉連接分為4步，稱為4次揮手。連接的關閉不一定是在客戶端發起，服務端也可以發起關閉連接。關閉連接的過程如下：
- 發起方發送一個FIN置位的數據包,用來請求關閉發送方到接收方的連接
- 接收方發送一個應答，ACK標志位為1，確認關閉。此時完成了發起方到接收方的連接，也即發送方無法再向接收方發送數據，但接收方還可以向發送方發送數據。
- 接收方數據傳輸完成后向發起方發送一個FIN為1的包，表示請求斷開連接
- 發起方回復一個ACK包，確認關閉成功
圖4 關閉連接流程示意圖
TCP是全雙工通信，因此關閉連接時需要雙向關閉連接。首先是關閉發起方關閉本端的連接，然后是關閉接收方在收到發起方的關閉請求后，除了回復關閉應答外，還要確保數據傳輸完成后發起一個關閉連接的請求，保證雙向同時關閉。
截止到這里，本文介紹了基于TCP協議進行網絡編程的主要內容。當然這個只是入門級的，如果需要真正理解TCP協議和網絡編程還需要學習很多內容。后續本號將陸續介紹給大家。
